Ultralyd på nanometerskalaen afslører kraftens natur

Forskere har udviklet en ny metode til at måle kraft og atombindinger på nanoskala, der afslører, at lydens hastighed afhænger af den struktur, den bevæger sig igennem.

Forskere fra University of Nottingham og Loughborough University brugte en målemetode kaldet picosecond ultrasonics, ligner medicinsk ultralyd, at måle styrken af ​​atombinding i materiale. Deres forskning er blevet offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .

Kraft er grundlæggende for alt i dagligdagen. Fra så stor skala som tyngdekraften, der understreger hele universets drift, til så lille skala som elektron-elektron-interaktion, der kan være hårrejsende. Kraften er meget svær at måle, især når kræfterne er for store eller for små, dette er især tilfældet, når vi træder ind i nanoverdenen, for eksempel i de såkaldte todimensionelle van der Waals (2D-vdW) materialer, hvor objekter har længdeskalaer i området 10 ^-9 meter.

Disse materialer kaldes 2D-materialer, fordi deres geometriske, fysiske og kemiske egenskaber er begrænset i to dimensioner inden for et tyndt ark materiale. Indenfor arket, atomer er tæt bundet til hinanden gennem stærke kovalente eller ioniske bindinger, hvorimod lagene selv holdes sammen af ​​svag van der Waals kraft. Den helt anderledes natur og sameksistens af disse vidt forskellige styrkekræfter gør det muligt for videnskabsmænd at "skrælle" materialet fra voluminøse udvundne krystaller til perfekte enkelt atomlag og opdage fantastiske fænomener, herunder superledning ved stuetemperatur. Tegning på et stykke papir ved hjælp af blyanter f.eks. er faktisk et videnskabeligt eksperiment til at lave enkelte atomlag af kulstofatomer (grafen), noget vi alle har gjort i århundreder uden at være klar over det. På trods af intensiv undersøgelse af vdW-materialer fra mange forskningsgrupper rundt om i verden, der er næsten ingen eksperimentelle teknikker til at måle styrken af ​​atombindinger og vdW-kræfter uden at ødelægge materialerne.

Wenjing Yan var en af ​​de førende forskere fra School of Physics and Astronomy ved University of Nottingham, hun forklarer:"Vi brugte picosecond ultralyd til at måle både de stærke kovalente bindinger og svage vdW-kræfter uden at beskadige materialet. Teknikken ligner medicinsk ultralyd, men med en meget højere frekvens (terahertz) og dermed ikke-invasiv. Undersøgelsen skinner 120 femtosekund (0,000000000000012 sekund) "pumper" laserimpulser på flager af 2D-materialer, genererer fononer, som er kvantiserede lydbølger. Når fononer rejser gennem materialet, de føler og interagerer med atomerne og bindingerne i materialet. Egenskaberne af disse fononer, som afspejler styrken af ​​atombindingerne, måles derefter med en anden "probe" laserimpuls. Vi fandt ud af, at lyd bevæger sig med meget forskellige hastigheder i forskellige faser (strukturer) af det samme stof."

Alexander Balanov og Mark Greenaway fra Loughborough University udvider:"Mens de rejser gennem vdW-materialet, den akustiske ultralydsbølge ødelægger ikke krystallen, kun lidt deformerer det, hvilket betyder, at strukturen kan opfattes som et system af "fjedre". Ved at kende lydens hastighed fra målinger, og hvordan disse fjedre reagerer på deformationen, vi kan udtrække den relative styrke af de kovalente kræfter mellem atomerne og vdW-kræfterne mellem lagene. Hvis vi anvender såkaldt tæthedsfunktionsteori ved hjælp af højtydende computere, kan vi numerisk estimere disse kræfter for forskellige stablingskonfigurationer og foreslå, hvordan man tuner elastikken, elektriske og endda kemiske egenskaber af forskellige polymorfer af vdW-materialer."

"En god analogi til vores resultater kan laves ved at tænke på pandekage og Yorkshire budding! Begge fødevarer er lavet af den samme blanding:æg, mel og mælk, men deres forskellige tilberedningsprocesser giver dem forskellige strukturer og egenskaber. Selvom dette er indlysende i den makroskopiske verden, at finde sådanne forskelle i nanostrukturerede materialer på grund af subtile forskelle i vdW-kræfter er overraskende og spændende, " siger Wenjing Yan. "Denne forskning åbner muligheder for at tune vdW-kræfter ved at stable materialer på forskellige måder og på samme tid ikke-destruktivt overvåge egenskaberne af disse kræfter og deres korrelation med de fysiske og kemiske egenskaber af flerlagsstrukturen. Ved at gøre dette, vi vil være i stand til at designe materialet til formålet ligesom at bygge legoklodser som foreslået af nobelprismodtagerne Andre Geim og Konstantin Novoselov."