(Phys.org) —Una nuova piattaforma di ricerca utilizza un laser per misurare le proprietà "nanomeccaniche" di minuscole strutture sottoposte a stress e riscaldamento, un approccio che potrebbe fornire spunti per migliorare i progetti per la microelettronica e le batterie.

Questa nuova tecnica, chiamata spettroscopia Raman nanomeccanica, rivela informazioni su come il riscaldamento e lo stress superficiale delle strutture su microscala influenzino le loro proprietà meccaniche. I ricercatori hanno discusso per decenni i meriti dell'influenza dello stress superficiale sulle proprietà meccaniche. Però, la spettroscopia nanomeccanica Raman ha offerto la prima di tali misurazioni, disse Vikas Tomar, professore associato presso la Purdue's School of Aeronautics and Astronautics.

Lo stress superficiale è simile alla tensione superficiale che consente ai piccoli insetti di camminare sull'acqua, rende sferiche le gocce d'acqua, e fa sì che la pelle umana inizialmente resista alla penetrazione di un ago. Sulla scala relativamente ampia dell'ordinario, macchine di tutti i giorni, lo stress superficiale è trascurabile, ma diventa fondamentale per le micro e nanostrutture, Egli ha detto.

Le scoperte recenti sono potenzialmente importanti perché le strutture di silicio misurate sulla scala dei micrometri e dei nanometri formano componenti essenziali dei processori a semiconduttore, sensori e una classe emergente di minuscole macchine chiamate sistemi microelettromeccanici.

"È stato riscontrato che il funzionamento di tali dispositivi è fortemente influenzato dalla loro temperatura di esercizio, " Ha detto Tomar. " Tali dispositivi densamente confezionati generano un notevole calore durante il funzionamento. Però, fino ad ora non siamo stati in grado di misurare come il riscaldamento e lo stress superficiale contribuiscano alle proprietà meccaniche".

Le informazioni sulla piattaforma e sui nuovi risultati della ricerca sono state dettagliate in tre articoli pubblicati quest'anno. Il più recente è apparso il 15 agosto su Rivista di fisica applicata . Tomar ha condotto la ricerca con l'ex dottorando Ming Gan, che si è laureato e ora lavora nell'industria, e l'attuale dottorando Yang Zhang.

Nella spettroscopia Raman, un laser interagisce con il reticolo cristallino vibrante dei materiali, fornire informazioni sulla composizione chimica dei materiali.

"Ma non siamo stati in grado di incorporare lo stress o la deformazione in situ in quelle firme chimiche, " Ha detto Tomar. "Ora abbiamo combinato misurazioni nanomeccaniche in spettroscopia Raman."

I ricercatori hanno utilizzato la tecnica per studiare cantilever in silicio su microscala, minuscole schegge a forma di trampolino dello spessore di circa 7 micron, o circa un decimo dello spessore di un capello umano, e lungo 225 micron. I cantilever sono stati riscaldati e sollecitati contemporaneamente. Per la prima volta sono state misurate le sollecitazioni superficiali su scala micro e nanometrica in concomitanza con il cambiamento di temperatura e la deformazione di una struttura.

I risultati mostrano che il riscaldamento di un cantilever da 25 a 100 gradi Celsius durante l'applicazione di stress alla struttura provoca un drammatico aumento della velocità di deformazione, o deformazione.

Il riscaldamento riduce le forze di legame tra gli atomi sulla superficie delle strutture. La forza di legame inferiore si traduce in uno stato "rilassato" della superficie o degli atomi vicini alla superficie che progredisce all'aumentare della temperatura, portando a crepe e guasti del dispositivo.

"La chiave è essere in grado di misurare le proprietà termiche e meccaniche contemporaneamente perché sono correlate, e lo stress superficiale influenza le proprietà meccaniche, " ha detto Tomar.

I risultati sono potenzialmente importanti per la misurazione dei componenti nelle batterie per studiare le sollecitazioni poiché si espandono e si contraggono costantemente durante i cicli di carica-scarica. I sensori ordinari non sono in grado di resistere a condizioni gravose all'interno delle batterie.

Però, perché la spettroscopia Raman utilizza un laser per effettuare misurazioni, non deve essere collegato alle batterie, rendendo possibile un nuovo tipo di sensore rimosso dalle dure condizioni all'interno delle batterie.

"Se non hai bisogno di sensori a bordo puoi entrare in ambienti estremi, " ha detto. "Puoi imparare come si stanno evolvendo le sollecitazioni in modo che possiamo progettare batterie migliori".

Una tale tecnologia potrebbe anche essere importante per lo sviluppo di materiali compositi super resistenti che imitano quelli trovati in alcuni animali marini che sono in grado di sopravvivere nelle condizioni estreme che si trovano nelle bocche idrotermali del fondo oceanico. Un ostacolo è superare le sollecitazioni che si verificano alle interfacce dei diversi strati all'interno dei materiali compositi.

"Questi materiali si rompono sempre alle interfacce, " Ha detto Tomar. "Ora possiamo capire come il materiale si sta deformando come si stanno sviluppando le sollecitazioni di interfaccia, e questo ci permetterà di prevedere come modificarli."