Atașament fir: fotografierea și examinarea lanțurilor de atomi unici

Astăzi, multe materiale bine studiate în diverse domenii, cum ar fi electronica și cataliza, sunt aproape de a-și atinge limitele practice. Pentru a îmbunătăți în continuare tehnologia modernă și a depăși performanțele celor mai noi dispozitive, cercetătorii care caută materiale funcționale noi trebuie să depășească limitele și să exploreze cazuri mai extreme. Un exemplu clar în acest sens este studiul materialelor cu dimensiuni reduse, cum ar fi monostratele (materiale bidimensionale) și lanțurile monoatomice (materiale unidimensionale).

S-a dovedit de nenumărate ori că materialele cu dimensiuni reduse prezintă proprietăți ciudate absente în omologii lor 3D. De exemplu, lanțurile cu un singur atom de metale precum aurul și platina (Pt) pot demonstra contribuția unor fenomene cuantice, cum ar fi sistemul magnetic sau transferul termic, în moduri care pot găsi aplicații practice. Cu toate acestea, este foarte dificil să se observe experimental ce se întâmplă în lanțurile monoatomice cu cinci sau mai puțini atomi, iar proprietățile mecanice ale legăturilor monatomice rămân evazive.

Pentru a aborda această problemă, un grup de cercetare condus de profesorul Yoshifumi Oshima de la Institutul Japonez de Știință și Tehnologie (JAIST) din Japonia joacă un rol de pionierat într-o nouă tehnică promițătoare pentru măsurarea puterii legăturilor atomice individuale. Ultimul lor studiu, care a fost Publicat în NanoLiters Ei și-au prezentat strategia, la care au participat cercetători JAIST (Dr. Chang, Dr. Ishizuka, profesorul Tomitori, profesorul Mizuno și profesorul Hongo), pe lângă profesorul Arai de la Universitatea Kanazawa, profesorul Tosati de la Școala Internațională de Studii Avansate (SISSA) și Centrul Internațional Abdus Salam pentru Fizică Teoretică (ICTP).).

Această nouă tehnologie, pe care Oshima a denumit-o „o metodă de microscopie nanomecanică”, combină microscopia electronică cu transmisie (TEM) cu un rezonator cu extensie cu lungime de cuarț (LER). TEM este o tehnologie de imagine utilizată pe scară largă, cu rezoluție spațială incredibil de mare – suficientă pentru a forma atomi individuali – în timp ce un LER este un dispozitiv care poate oscila la o amplitudine incredibil de mică de câteva trilioane de metru și poate acționa ca un senzor de forță.

Cercetătorii au conceput o configurație experimentală în care o mică joncțiune Pt a fost întinsă până la punctul absolut de rupere, adică atunci când două benzi Pt au fost atașate la un lanț monoatomic de doi până la cinci atomi. Prin alinierea atentă a pieselor în TEM, au observat formarea și ruperea lanțurilor Pt cu un singur atom în timp real. Mai mult, folosind cuarț LER, au măsurat conductivitatea pe lanț și rigiditatea lor, prin care a fost calculată cu succes puterea legăturilor individuale Pt. „Am constatat că rezistența la legătură de 25 N / m în lanțurile monatomice Pt este semnificativ crescută, mai ales în comparație cu 20 N / m care se găsesc de obicei în cristalele Pt în vrac”, comentează Zhang. „Mai mult, aceste legături atomice unice pot fi întinse cu aproximativ 24% din distanța lor normală, în contrast puternic cu 5% în care legăturile dintre atomii de Pt pot fi întinse în cantități mari.”

Rezultatele studiului demonstrează potențialul acestei noi tehnologii pentru sondarea legăturilor lanțului cu un singur atom, ceea ce ar putea duce la o mai bună înțelegere a interfețelor sau suprafețelor materialelor cu dimensiuni reduse. Oshima subliniază: „Metoda noastră poate contribui în mare măsură la proiectarea de materiale și catalizatori avansați, pe lângă faptul că aruncă lumină asupra fenomenelor la scară nanomatică în ceea ce privește nanomecanica de suprafață sau de suprafață”. În schimb, materialele mai avansate și o mai bună înțelegere a proprietăților suprafeței lor vor avansa, fără îndoială, în domeniile electronicii, chimiei și nanotehnologiei, deschizând calea către design-uri inovatoare și durabile.

Este foarte probabil ca sintagma „agățat de un fir” să aibă în curând o semnificație mai pozitivă în știința nanomaterialelor!