I ricercatori della North Carolina State University e della Brown University hanno scoperto che i fili su scala nanometrica (nanofili) realizzati con materiali semiconduttori comuni hanno una pronunciata anelasticità, il che significa che i fili, quando piegato, tornare lentamente alla loro forma originale piuttosto che tornare indietro rapidamente.

"Tutti i materiali hanno un certo grado di anelasticità, ma di solito è trascurabile su scala macroscopica, "dice Yong Zhu, un professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State e corrispondente autore di un articolo che descrive il lavoro. "Poiché i nanofili sono così piccoli, l'anelasticità è significativa e facilmente osservabile, anche se è stata una sorpresa totale quando abbiamo scoperto per la prima volta l'anelasticità nei nanofili." L'anelasticità è stata scoperta quando Zhu e i suoi studenti stavano studiando il comportamento di instabilità dei nanofili.

"L'elasticità è una proprietà meccanica fondamentale dei nanofili, e dobbiamo comprendere questo tipo di comportamenti meccanici se vogliamo incorporare i nanofili nell'elettronica o in altri dispositivi, "dice Elizabeth Dickey, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State e coautore del documento. I nanofili promettono l'uso in una varietà di applicazioni, compreso flessibile, dispositivi elettronici elastici e indossabili.

I ricercatori hanno lavorato sia con ossido di zinco che con nanofili di silicio, e ha scoperto che, una volta piegati, i nanofili sarebbero tornati istantaneamente alla loro forma originale per oltre l'80 percento del percorso, ma torna lentamente per il resto del percorso (fino al 20 percento).

"Nei nanofili che hanno un diametro di circa 50 nanometri, possono volerci 20 o 30 minuti per recuperare quell'ultimo 20 percento della loro forma originale, "dice Guangming Cheng, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Zhu e primo autore dell'articolo.

Il lavoro è stato svolto utilizzando strumenti sviluppati nel gruppo di Zhu che hanno permesso al team di condurre esperimenti sui nanofili mentre erano in un microscopio elettronico a scansione. Ulteriori analisi sono state eseguite utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione di Titano presso l'Analytical Instrumentation Facility di NC State.

Quando un materiale è piegato, i legami tra gli atomi sono allungati o compressi per adattarsi alla flessione, ma nei materiali su scala nanometrica c'è tempo anche perché gli atomi si muovano, o diffuso, dall'area compressa all'area allungata nel materiale. Se pensi al nanofilo piegato come ad un arco, gli atomi si muovono dall'interno dell'arco verso l'esterno. Quando la tensione nel filo piegato viene rilasciata, gli atomi che si sono semplicemente avvicinati o allontanati scattano indietro immediatamente; questo è ciò che chiamiamo elasticità. Ma gli atomi che si sono spostati completamente fuori posizione impiegano del tempo per tornare ai loro siti originali. Quel ritardo è una caratteristica dell'anelasticità.

"Questo fenomeno è pronunciato nei nanofili. Ad esempio, i nanofili di ossido di zinco hanno mostrato un comportamento anelastico fino a quattro ordini di grandezza maggiore della maggiore anelasticità osservata nei materiali sfusi, con tempi di recupero nell'ordine dei minuti, "dice Huajian Gao, un professore alla Brown University e co-autore dell'articolo. La modellazione dettagliata del gruppo di Gao indica che la pronunciata anelasticità nei nanofili è dovuta al fatto che è molto più facile per gli atomi muoversi attraverso materiali su nanoscala che attraverso materiali sfusi. E gli atomi non devono viaggiare così lontano. Inoltre, i nanofili possono essere piegati molto più in là dei fili più spessi senza deformarsi o rompersi in modo permanente.

"Un revisore ha commentato che questa è una nuova pagina importante nel libro sulla meccanica delle nanostrutture, che era molto lusinghiero da sentire, " Dice Zhu. Il team prevede di esplorare se questa pronunciata anelasticità è comune tra materiali e strutture su nanoscala. Vogliono anche valutare come questa caratteristica possa influenzare altre proprietà, come la conduttività elettrica e il trasporto termico.

La carta, "Grande anelasticità e dissipazione dell'energia associata nei nanofili monocristallini, " è pubblicato online sulla rivista Nanotecnologia della natura .