Un fenomeno sorprendente è stato trovato nelle nanoparticelle metalliche:appaiono, da fuori, essere goccioline liquide, traballante e che cambia facilmente forma, mentre i loro interni conservano una configurazione di cristallo perfettamente stabile.

Il team di ricerca dietro la scoperta, guidato dal professore del MIT Ju Li, afferma che il lavoro potrebbe avere importanti implicazioni per la progettazione di componenti in nanotecnologia, come contatti metallici per circuiti elettronici molecolari.

I risultati, pubblicato sulla rivista Materiali della natura , provengono da una combinazione di analisi di laboratorio e modellazione computerizzata, da un team internazionale che includeva ricercatori in Cina, Giappone, e Pittsburgh, così come al MIT.

Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente, con particelle di argento puro di diametro inferiore a 10 nanometri, meno di un millesimo della larghezza di un capello umano. Ma i risultati dovrebbero applicarsi a molti metalli diversi, dice Li, autore senior dell'articolo e professore BEA di scienze e ingegneria nucleare.

L'argento ha un punto di fusione relativamente alto:962 gradi Celsius, o 1763 gradi Fahrenheit, quindi l'osservazione di qualsiasi comportamento simile a un liquido nelle sue nanoparticelle era "abbastanza inaspettata, " Li dice. Cenni al nuovo fenomeno erano stati visti in precedenti lavori con lo stagno, che ha un punto di fusione molto più basso, lui dice.

L'uso delle nanoparticelle in applicazioni che vanno dall'elettronica ai prodotti farmaceutici è un'area di ricerca vivace; in genere, Li dice, questi ricercatori "vogliono formare forme, e vogliono che queste forme siano stabili, in molti casi per un periodo di anni." Quindi la scoperta di queste deformazioni rivela una barriera potenzialmente grave per molte di queste applicazioni:ad esempio, se i nanolegamenti d'oro o d'argento sono usati nei circuiti elettronici, queste deformazioni potrebbero causare rapidamente il guasto dei collegamenti elettrici.

Solo pelle profonda

L'imaging dettagliato dei ricercatori con un microscopio elettronico a trasmissione e modelli atomici ha rivelato che mentre l'esterno delle nanoparticelle metalliche sembra muoversi come un liquido, solo gli strati più esterni, spessi uno o due atomi, si muovono effettivamente in un dato momento. Quando questi strati esterni di atomi si muovono attraverso la superficie e si ridepositano altrove, danno l'impressione di un movimento molto maggiore, ma all'interno di ogni particella, gli atomi restano perfettamente allineati, come mattoni in un muro.

"L'interno è cristallino, quindi gli unici atomi mobili sono i primi uno o due monostrati, " Dice Li. "Ovunque tranne i primi due strati è cristallino".

Al contrario, se le goccioline dovessero fondersi allo stato liquido, l'ordine della struttura cristallina sarebbe stato completamente eliminato, come un muro che cade in un mucchio di mattoni.

tecnicamente, la deformazione delle particelle è pseudoelastica, il che significa che il materiale ritorna alla sua forma originale dopo che le sollecitazioni sono state rimosse, come una palla di gomma schiacciata, al contrario della plasticità, come in un pezzo d'argilla deformabile che conserva una nuova forma.

Il fenomeno della plasticità per diffusione interfacciale è stato proposto per la prima volta da Robert L. Coble, un professore di ingegneria ceramica al MIT, ed è noto come "Coble creep". "Ciò che abbiamo visto è giustamente chiamato pseudoelasticità di Coble, " dice Li.

Ora che il fenomeno è stato compreso, i ricercatori che lavorano su nanocircuiti o altri nanodispositivi possono facilmente compensarlo, Li dice. Se le nanoparticelle sono protette anche da un sottile strato di ossido, il comportamento liquido è quasi completamente eliminato, rendendo possibili circuiti stabili.

Possibili vantaggi

D'altra parte, per alcune applicazioni questo fenomeno potrebbe essere utile:ad esempio, nei circuiti in cui i contatti elettrici devono resistere alla riconfigurazione rotazionale, particelle progettate per massimizzare questo effetto potrebbero rivelarsi utili, utilizzando metalli nobili o atmosfera riducente, dove la formazione di uno strato di ossido è destabilizzata, Li dice.

La nuova scoperta va contro le aspettative, in parte, a causa di un rapporto ben compreso, nella maggior parte dei materiali, in cui la resistenza meccanica aumenta al diminuire delle dimensioni.

"Generalmente, più piccola è la dimensione, maggiore è la forza, "Li dice, ma "di dimensioni molto piccole, un componente materiale può diventare molto più debole. Il passaggio da "più piccolo è più forte" a "più piccolo è molto più debole" può essere molto netto".

quel crossover, lui dice, avviene a circa 10 nanometri a temperatura ambiente, una dimensione che i produttori di microchip si stanno avvicinando man mano che i circuiti si restringono. Al raggiungimento di questa soglia, Li dice, provoca "una caduta molto precipitosa" nella forza di un nanocomponente.

I risultati potrebbero anche aiutare a spiegare una serie di risultati anomali osservati in altre ricerche su piccole particelle, Li dice.