Un team internazionale di scienziati ha scoperto come misurare la resistenza di una nanomembrana sia alla flessione che all'allungamento arrotolandola in un tubo ed eseguendo un singolo esperimento per misurare la resistenza alla flessione del tubo lungo la sua lunghezza. I metodi precedenti richiedevano due esperimenti:uno per misurare la resistenza alla flessione di una nanomembrana e un altro per misurare la sua resistenza all'allungamento. La scoperta dovrebbe aiutare i ricercatori che lavorano per realizzare oggetti e dispositivi tridimensionali da membrane bidimensionali dello spessore di una sola nanoparticella. La micrografia elettronica a trasmissione a destra è stata ottenuta presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne.
La prima misurazione diretta della resistenza alla flessione in una membrana su scala nanometrica è stata effettuata da scienziati dell'Università di Chicago, Università di Pechino, il Weizmann Institute of Science e il Laboratorio Nazionale Argonne del Dipartimento di Energia (DOE).
La loro ricerca fornisce ai ricercatori un nuovo, metodo più semplice per misurare la resistenza dei nanomateriali alla flessione e allo stiramento, e apre nuove possibilità per creare oggetti e macchine di dimensioni nanometriche controllando e adattando quella resistenza. (Un nanometro è un miliardesimo di metro, fintanto che le tue unghie crescono in un secondo.)
Il team di ricerca ha lavorato con una nanomembrana d'oro. "È come un foglio di carta, solo diecimila volte più sottile, ", ha detto Heinrich Jaeger dell'Università di Chicago. "Se fai scivolare un pezzo di carta sul bordo di un tavolo, si piega. La nanomembrana d'oro si comporta allo stesso modo, ma è cento volte più rigido della carta se ridimensionato allo stesso spessore, cento volte più resistente alla flessione.
"I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando modi per manipolare nanomateriali ultrasottili in oggetti tridimensionali stabili, " ha detto Jaeger. "La sfida è come trasformare un film bidimensionale in una forma tridimensionale quando il film è così sottile e flessibile. È come un nano-origami:come fai a fargli mantenere una forma stabile? Hai bisogno di qualcosa di più rigido di quanto ti aspetteresti. Si scopre che molte nanomembrane potrebbero già possedere quella proprietà".
"Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che la nanomembrana d'oro era oltre cento volte più resistente alla flessione di quanto avessimo previsto, sulla base della teoria dell'elasticità standard e della nostra esperienza con le lamiere sottili, come la carta, " disse Xiao-Min Lin, che ha fabbricato le nanoparticelle d'oro in strutture specializzate presso il Center for Nanoscale Materials, un DOE Office of Science User Facility situato ad Argonne. "Crediamo che sia correlato alla struttura interna della membrana. La membrana è spessa solo una nanoparticella, quindi è essenzialmente tutta superficie con pochissimo volume interno. Disordine strutturale minore lungo la sua superficie aumenterebbe significativamente la sua resistenza alla flessione. Riteniamo inoltre che l'imballaggio molecolare tra le nanoparticelle potrebbe influenzare fortemente la sua capacità di piegarsi".
Fondamentale per la scoperta del team era un nuovo metodo per creare membrane d'oro che si arrotolano in rotoli di dimensioni nanometriche e una nuova tecnica per misurare la resistenza del rotolo alla flessione. Entrambi sono stati sviluppati da Yifan Wang dell'Università di Chicago utilizzando le strutture di CNM.
I nanoscroll d'oro sono stati autoassemblati sospendendo un fluido contenente nanoparticelle d'oro su uno schermo di carbonio. Quando il fluido si è asciugato, ha lasciato una membrana dorata sospesa come una nano-pelle di tamburo attraverso i fori circolari dello schermo. Mentre le membrane continuavano ad asciugarsi e a stringersi, un bordo staccato dallo schermo, e la membrana si arrotolò spontaneamente a formare un tubo cavo.
"Ci sono molti modi per realizzare tubi di nanoparticelle, " ha detto Wang, "ma coinvolgono cose come esporre le membrane a fasci di elettroni, che possono alterare le proprietà fisiche, come la loro resistenza alla flessione e all'allungamento, proprio le cose che volevamo misurare. Avevamo bisogno di un modo non invasivo per realizzare tubi di nanoparticelle senza modificare quelle proprietà".
Il team ha scoperto che la resistenza di una nanomembrana sia alla flessione che all'allungamento può essere calcolata da un singolo esperimento che utilizza la microscopia a forza atomica per misurare la resistenza alla flessione lungo la lunghezza di una membrana monostrato che è stata arrotolata in un cilindro cavo. (La microscopia a forza atomica utilizza una sonda fisica per misurare dettagli superficiali piccoli quanto una frazione di nanometro.) I metodi precedenti richiedevano due esperimenti separati su membrane su scala nanometrica:uno per misurare la resistenza all'allungamento e l'altro per misurare la resistenza alla flessione.
"La risposta del tubo a piccole rientranze locali è una firma di contributi sia alla flessione che allo stiramento, " ha detto Wang. "Di conseguenza, una singola serie di misurazioni della resistenza alla rientranza lungo la lunghezza del tubo fornisce l'accesso diretto al suo modulo di flessione e al modulo di allungamento, parametri chiave necessari per calcolare la resistenza sia alla flessione che all'allungamento."
Poiché la misurazione si basa solo sulla teoria dell'elasticità e sulla geometria del tubo, Wang ha spiegato, dovrebbe avere un'applicabilità generale su un'ampia gamma di materiali e scale dimensionali, dai nano e microtubuli agli oggetti veramente macroscopici.
"I fogli ultrasottili dello spessore di una sola nanoparticella hanno proprietà meccaniche uniche, " Wang ha detto. "Questo esperimento fornisce nuovi input per il controllo indipendente della resistenza alla flessione e all'allungamento su scala nanometrica. Dovrebbe essere possibile adattare i parametri di flessione e allungamento e sviluppare nuovi nanomateriali e nano-oggetti con proprietà specifiche desiderabili".
