Hængende i en tråd:Billeddannelse og sondering af kæder af enkelte atomer

Lavdimensionelle materialer, såsom 1D monoatomiske kæder, udviser eksotiske egenskaber, der kunne finde interessante anvendelser. Imidlertid, enkeltatombindinger og deres mekaniske egenskaber er svære at studere. I en nylig undersøgelse, videnskabsmænd fra JAIST, Japan, fremvise en ny metode til samtidig at afbilde monoatomiske platinkæder med et transmissionselektronmikroskop, mens man måler deres bindingsstyrke og konduktans under mekanisk strækning. Denne teknik vil hjælpe med at besvare mange spørgsmål inden for nanomekanik og overfladevidenskab.

I dag, mange velstuderede materialefelter som elektronik og katalyse er tæt på at nå deres praktiske grænser. For yderligere at forbedre moderne teknologi og udkonkurrere state-of-the-art enheder, forskere, der leder efter nye funktionelle materialer, må flytte grænserne og udforske mere ekstreme tilfælde. Et tydeligt eksempel på dette er studiet af lavdimensionelle materialer, såsom monoatomiske lag (2D-materialer) og monoatomiske kæder (1D-materialer).

Det er blevet bevist gang på gang, at lav-dimensionelle materialer udviser eksotiske egenskaber, der er fraværende i deres 3D bulk modstykker. For eksempel, monoatomiske kæder af metaller som guld og platin (Pt) kan udvise bidraget fra visse kvantefænomener, såsom magnetisk orden eller termisk transport, på måder, der kunne finde praktiske anvendelser. Imidlertid, det er meget vanskeligt eksperimentelt at observere, hvad der foregår i monoatomiske kæder bestående af fem eller færre atomer, og de mekaniske egenskaber ved enkeltatombindinger forbliver uhåndgribelige.

For at løse dette problem, en forskergruppe ledet af professor Yoshifumi Oshima fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, er banebrydende for en ny og lovende teknik til at måle styrken af ​​individuelle atombindinger. Deres seneste undersøgelse, som blev offentliggjort i Nano bogstaver og fremviste deres strategi, involverede forskere fra JAIST (Dr. Zhang, Dr. Ishizuka, Prof. Tomitori, Prof. Maezono og Prof. Hongo), samt prof. Arai fra Kanazawa University og prof. Tosatti fra International School for Advanced Studies (SISSA) og The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (ICTP).

Denne nye teknik, som Oshima kaldte "mikroskopisk nanomekanik målemetode, " kombinerer transmissionselektronmikroskopi (TEM) med en kvarts-længdeforlængelsesresonator (LER). TEM er en meget brugt billedbehandlingsteknik med utrolig høj rumlig opløsning - nok til at skelne individuelle atomer - hvorimod LER er en enhed, der kan oscillere med utroligt små amplituder på et par ti billioner af en meter og fungerer som kraftsensor.

Forskerne udtænkte en eksperimentel opsætning, hvor et lille Pt-punkt blev strakt til dets absolutte bristepunkt, det er, når de to stykker af Pt var forbundet med en monoatomisk kæde på to til fem atomer. Ved omhyggeligt at justere brikkerne i TEM, de observerede dannelsen og brydningen af ​​de monoatomiske Pt-kæder i realtid. I øvrigt, ved hjælp af kvarts LER, de målte konduktansen over kæden og dens stivhed, hvorfra styrken af ​​individuelle Pt-bindinger blev beregnet med succes. "Vi fandt, at bindingsstyrken på 25 N/m i de monoatomiske Pt-kæder var bemærkelsesværdig høj, især sammenlignet med de 20 N/m, der normalt findes i bulk Pt-krystaller, " kommenterer Zhang. "Desuden, disse enkeltatombindinger kunne strækkes omkring 24% af deres normale afstand, i skarp kontrast til de 5 %, at bindinger mellem Pt-atomer i bulk kan strækkes, "tilføjer han.

Resultaterne af undersøgelsen viser potentialet af denne nye teknik til at undersøge monoatomiske kædebindinger, hvilket kunne føre til en bedre forståelse af grænseflader eller overflader af lavdimensionelle materialer. "Vores metode kunne i høj grad bidrage til design af avancerede materialer og katalysatorer samt kaste lys over fænomener i nanoskala med hensyn til overflade- eller grænsefladenanomekanik, " fremhæver Oshima. Til gengæld mere sofistikerede materialer og en bedre forståelse af deres overfladeegenskaber vil uden tvivl fremme elektronikområdet, kemi, og nanoteknologi, baner vejen for innovative og forhåbentlig bæredygtige designs.

Det er meget sandsynligt, at udtrykket "hængende i en tråd" snart vil få en mere positiv betydning i nanomaterialevidenskab.