Figura 1. Metodo di misurazione della nanomeccanica microscopica (a sinistra). Illustrazione schematica della tecnica. La rigidità dei nanomateriali come le catene atomiche di platino (Pt) può essere misurata utilizzando un risonatore di estensione della lunghezza (LER) realizzato con un cristallo di quarzo. La struttura atomica della catena può essere osservata utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Abbiamo scoperto che la forza del legame atomico nelle catene monoatomiche Pt è 25 N/m, che è superiore al valore bulk (20 N/m). (a destra) Immagini TEM sperimentali e simulate di una catena Pt monoatomica ed evoluzione temporale della sua conduttanza elettrica e rigidità durante lo stretching. La deformazione massima è stata in media del 24%.
Materiali a bassa dimensionalità, come catene monoatomiche 1D, esibiscono proprietà esotiche che potrebbero trovare interessanti applicazioni. Però, i legami a singolo atomo e le loro caratteristiche meccaniche sono difficili da studiare. In un recente studio, scienziati di JAIST, Giappone, mostrare un nuovo metodo per visualizzare simultaneamente catene di platino monoatomiche con un microscopio elettronico a trasmissione misurando la loro forza di legame e conduttanza durante lo stiramento meccanico. Questa tecnica aiuterà a rispondere a molte domande nel campo della nanomeccanica e della scienza delle superfici.
Oggi, molti campi dei materiali ben studiati come l'elettronica e la catalisi sono vicini a raggiungere i loro limiti pratici. Per migliorare ulteriormente la tecnologia moderna e superare le prestazioni dei dispositivi all'avanguardia, i ricercatori alla ricerca di nuovi materiali funzionali devono spingere i confini ed esplorare casi più estremi. Ne è un chiaro esempio lo studio dei materiali a bassa dimensionalità, come strati monoatomici (materiali 2D) e catene monoatomiche (materiali 1D).
È stato dimostrato più e più volte che i materiali a bassa dimensionalità mostrano proprietà esotiche che sono assenti nelle loro controparti sfuse 3D. Per esempio, catene monoatomiche di metalli come oro e platino (Pt) possono esibire il contributo di alcuni fenomeni quantistici, come l'ordine magnetico o il trasporto termico, in modi che potrebbero trovare applicazioni pratiche. Però, è molto difficile osservare sperimentalmente cosa succede in catene monoatomiche composte da cinque o meno atomi, e le proprietà meccaniche dei legami a singolo atomo rimangono sfuggenti.
Per affrontare questo problema, un gruppo di ricerca guidato dal professor Yoshifumi Oshima del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Giappone, sta sperimentando una tecnica nuova e promettente per misurare la forza dei singoli legami atomici. Il loro ultimo studio, che è stato pubblicato in Nano lettere e hanno mostrato la loro strategia, coinvolto ricercatori di JAIST (Dott. Zhang, Dottor Ishizuka, Prof. Tomitori, Prof. Maezono e Prof. Hongo), così come il Prof. Arai dell'Università di Kanazawa e il Prof. Tosatti della Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) e il Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP).
Questa nuova tecnica, che Oshima chiamò il "metodo di misurazione della nanomeccanica microscopica, " combina la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) con un risonatore di estensione della lunghezza del quarzo (LER). Il TEM è una tecnica di imaging ampiamente utilizzata con una risoluzione spaziale incredibilmente elevata, sufficiente per distinguere i singoli atomi, mentre il LER è un dispositivo che può oscillare a velocità incredibilmente elevate. piccole ampiezze di qualche decina di trilionesimi di metro e funge da sensore di forza.
I ricercatori hanno ideato una configurazione sperimentale in cui una piccola giunzione Pt è stata allungata fino al suo punto di rottura assoluto, questo è, quando i due pezzi di Pt erano collegati da una catena monoatomica da due a cinque atomi. Allineando accuratamente i pezzi nel TEM, hanno osservato in tempo reale la formazione e la rottura delle catene monoatomiche di Pt. Inoltre, utilizzando il quarzo LER, hanno misurato la conduttanza lungo la catena e la sua rigidità, da cui è stata calcolata con successo la forza dei singoli legami Pt. "Abbiamo riscontrato che la forza di legame di 25 N/m nelle catene monoatomiche di Pt è notevolmente elevata, soprattutto rispetto ai 20 N/m che si trovano normalmente nei cristalli di Pt sfusi, " commenta Zhang. "Inoltre, questi legami a singolo atomo potrebbero allungarsi di circa il 24% della loro distanza regolare, in netto contrasto con il 5% che i legami tra gli atomi di Pt alla rinfusa possono essere allungati, " Aggiunge.
I risultati dello studio mostrano il potenziale di questa nuova tecnica per sondare i legami di catena monoatomici, che potrebbe portare a una migliore comprensione delle interfacce o delle superfici dei materiali a bassa dimensionalità. "Il nostro metodo potrebbe contribuire notevolmente alla progettazione di materiali e catalizzatori avanzati, nonché far luce sui fenomeni su scala nanometrica in termini di nanomeccanica di superficie o di interfaccia, " evidenzia Oshima. A sua volta, materiali più sofisticati e una migliore comprensione delle loro proprietà superficiali faranno senza dubbio avanzare nei campi dell'elettronica, chimica, e nanotecnologie, aprendo la strada a progetti innovativi e, si spera, sostenibili.
È molto probabile che l'espressione "appeso a un filo" acquisterà presto un significato più positivo nella scienza dei nanomateriali.
