Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione a sinistra e una versione con mappa a colori a destra evidenzia le deformazioni in nanofogli d'argento sovrapposti a nanosfere di ossido di ferro. Gli scienziati della Rice University hanno stabilito che le forze di van der Waals tra le sfere e i fogli sono sufficienti per distorcere l'argento, difetti di apertura nei loro reticoli cristallini che potrebbero essere utilizzati in ottica o catalisi. Credito:The Jones Lab/Rice University
devi guardare bene, ma le colline sono vive della forza di van der Waals.
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto che l'onnipresente forza "debole" della natura è sufficiente per indentare i nanofogli rigidi, estendendo il loro potenziale per l'uso in ottica su scala nanometrica o sistemi catalitici.
Cambiare la forma delle particelle su scala nanometrica cambia le loro proprietà elettromagnetiche, ha detto Matt Jones, il Norman e Gene Hackerman Assistant Professor di Chimica e un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. Ciò rende il fenomeno meritevole di ulteriori studi.
"Le persone si preoccupano della forma delle particelle, perché la forma cambia le sue proprietà ottiche, "Ha detto Jones. "Questo è un modo totalmente nuovo di cambiare la forma di una particella".
Jones e la studentessa Sarah Rehn hanno condotto lo studio nell'American Chemical Society's Nano lettere.
Van der Waals è una forza debole che consente alle molecole neutre di attrarsi l'un l'altra attraverso dipoli fluttuanti casualmente, a seconda della distanza. Sebbene piccolo, i suoi effetti sono visibili nel macromondo, come quando i gechi camminano sui muri.
"Le forze di Van der Waals sono ovunque e, essenzialmente, su scala nanometrica tutto è appiccicoso, " Jones ha detto. "Quando metti un grande, particella piatta su un grande, superficie piana, ci sono molti contatti, ed è sufficiente per deformare in modo permanente una particella che è davvero sottile e flessibile."
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione degli scienziati della Rice University mostra una nanopiastra d'argento deformata da una particella, formando contorni di sollecitazione a forma di fiore nel materiale che indicano una protuberanza. Cambiando la forma del materiale cambia le sue proprietà elettromagnetiche, rendendolo adatto per catalisi o applicazioni ottiche. Credito:The Jones Lab/Rice University
Nel nuovo studio, il team di Rice ha deciso di vedere se la forza poteva essere utilizzata per manipolare lastre di argento duttile dello spessore di 8 nanometri. Dopo che un modello matematico ha mostrato loro che era possibile, hanno posizionato nanosfere di ossido di ferro larghe 15 nanometri su una superficie e hanno spruzzato nanofogli a forma di prisma su di esse.
Senza applicare altra forza, hanno visto attraverso un microscopio elettronico a trasmissione che i nanofogli acquisivano protuberanze permanenti dove prima non esistevano, proprio sopra le sfere. Come misurato, le distorsioni erano circa 10 volte maggiori della larghezza delle sfere.
Le colline non erano molto alte, ma le simulazioni hanno confermato che l'attrazione di van der Waals tra il foglio e il substrato che circonda le sfere era sufficiente per influenzare la plasticità del reticolo atomico cristallino dell'argento. Hanno anche dimostrato che lo stesso effetto si verificherebbe nei nanofogli di biossido di silicio e seleniuro di cadmio, e forse altri composti.
"Stavamo cercando di rendere davvero sottile, grandi nanoplacche d'argento e quando abbiamo iniziato a scattare immagini, abbiamo visto questi strani, modelli di deformazione di sei volte, come fiori, " ha detto Jones, che ha ottenuto una borsa di studio Packard pluriennale nel 2018 per sviluppare tecniche avanzate di microscopia.
"Non aveva alcun senso, ma alla fine abbiamo capito che era una pallina di sporcizia su cui era drappeggiato il piatto, creando la tensione, " ha detto. "Non pensavamo che qualcuno avesse indagato su questo, quindi abbiamo deciso di dare un'occhiata.
"Il risultato è che quando rendi una particella molto sottile, diventa davvero flessibile, anche se è un metallo rigido, " ha detto Jones.
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto l'onnipresente, La forza "debole" di van der Waals era sufficiente per far rientrare un nanofoglio d'argento rigido. Il fenomeno suggerisce possibili applicazioni in ottica su scala nanometrica o sistemi catalitici. Credito:The Jones Lab/Rice University
In ulteriori esperimenti, i ricercatori hanno visto che le nanosfere potrebbero essere utilizzate per controllare la forma della deformazione, da singole creste quando due sfere sono vicine, a forme a sella o dossi isolati quando le sfere sono più distanti.
Hanno determinato che i fogli di spessore inferiore a circa 10 nanometri e con proporzioni di circa 100 sono più suscettibili alla deformazione.
I ricercatori hanno notato che la loro tecnica crea "una nuova classe di strutture curvilinee basate sulla topografia del substrato" che "sarebbe difficile da generare litograficamente". Ciò apre nuove possibilità per i dispositivi elettromagnetici particolarmente rilevanti per la ricerca nanofotonica.
Sforzare il reticolo d'argento trasforma anche il metallo inerte in un possibile catalizzatore creando difetti in cui possono verificarsi reazioni chimiche.
"Questo diventa eccitante perché ora, la maggior parte delle persone realizza questo tipo di metamateriali attraverso la litografia, " ha detto Jones. "Questo è uno strumento davvero potente, ma una volta che l'hai usato per modellare il tuo metallo, non puoi mai cambiarlo.
"Ora abbiamo la possibilità, forse un giorno, costruire un materiale che ha un insieme di proprietà e poi cambiarlo deformandolo, " ha detto. "Poiché le forze necessarie per farlo sono così piccole, speriamo di trovare un modo per alternare tra i due".
