Figura 1. Campioni e configurazione sperimentale. a) Struttura cristallina di α- e β-In2Se3.[20, 31] Le caselle piene contrassegnano le celle unitarie di α-In2Se3 (2H) e β-In2Se3 (3R). b) spettri Raman per fiocchi α- e β-In2Se3; inserti:immagini ottiche dei fiocchi. c) Schema schematico della configurazione della pompa-sonda per la misurazione della velocità del suono:PD-fotorivelatore; SHG—generatore di seconda armonica; f1 e f2 sono le frequenze di ripetizione degli impulsi dai laser a pompa e sonda, rispettivamente. Qui, f1, f2 ≈ 80 MHz e una piccola differenza f1 – f2 =800 Hz determina una scansione temporale lenta degli impulsi della sonda rispetto agli impulsi della pompa, fornendo una risoluzione temporale 1 ps. Le frecce tratteggiate mostrano la direzione della luce. d) Il frammento ingrandito dello spazio campione negli esperimenti PU con pompa da 400 nm e sonda da 800 nm. Credito:DOI:10.1002/adfm.202106206
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare la forza e i legami atomici su scala nanometrica che rivela che la velocità del suono dipende dalla struttura che attraversa.
Scienziati dell'Università di Nottingham e della Loughborough University hanno utilizzato un metodo di misurazione chiamato ultrasuoni a picosecondi, simile all'ecografia medica, per misurare la forza del legame atomico all'interno del materiale. La loro ricerca è stata pubblicata in Materiali funzionali avanzati .
La forza è fondamentale in tutto nella vita quotidiana. Dalla grande scala della forza gravitazionale che sottolinea il funzionamento dell'intero universo, a scala ridotta come l'interazione elettrone-elettrone che può far rizzare i capelli. La forza è molto difficile da misurare soprattutto quando le forze sono troppo grandi o troppo piccole, questo è particolarmente vero quando entriamo nel nanomondo, per esempio nei cosiddetti materiali bidimensionali van der Waals (2D-vdW) dove gli oggetti hanno scale di lunghezza nell'intervallo di 10 -9 metri.
Questi materiali sono chiamati materiali 2D perché la loro geometria, le proprietà fisiche e chimiche sono confinate in due dimensioni all'interno di un sottile foglio di materiale. All'interno del foglio, gli atomi sono strettamente legati tra loro attraverso forti legami covalenti o ionici, mentre gli strati stessi sono tenuti insieme dalla debole forza di van der Waals. La natura completamente diversa e la coesistenza di queste forze di forza molto diverse consentono agli scienziati di "sbucciare" il materiale da ingombranti cristalli estratti a singoli strati atomici perfetti e scoprire fenomeni sorprendenti tra cui la superconduttività a temperatura ambiente. Disegnare su un pezzo di carta usando ad esempio le matite, è infatti un esperimento scientifico per realizzare singoli strati atomici di atomi di carbonio (grafene), qualcosa che tutti noi facciamo da secoli senza rendercene conto. Nonostante le indagini approfondite sui materiali vdW da parte di molti gruppi di ricerca in tutto il mondo, ci sono pochissime tecniche sperimentali per misurare la forza dei legami atomici e le forze vdW senza distruggere i materiali.
Wenjing Yan è stato uno dei principali ricercatori della School of Physics and Astronomy dell'Università di Nottingham, spiega:"Abbiamo utilizzato gli ultrasuoni a picosecondi per misurare sia i forti legami covalenti che le deboli forze vdW senza danneggiare il materiale. La tecnica è simile agli ultrasuoni medici ma con una frequenza molto più alta (terahertz) e quindi non invasiva. Lo studio brilla 120 impulsi laser "a pompa" a femtosecondi (0,00000000000012 secondi) su scaglie di materiali 2D, generando fononi che sono onde sonore quantizzate. Mentre i fononi viaggiano attraverso il materiale, sentono e interagiscono con gli atomi ei legami all'interno del materiale. Le proprietà di questi fononi, che riflettono la forza dei legami atomici, viene quindi misurato da un secondo impulso laser "sonda". Abbiamo scoperto che il suono viaggia a velocità molto diverse in diverse fasi (strutture) della stessa sostanza".
Alexander Balanov e Mark Greenaway della Loughborough University espandono:"Durante il viaggio attraverso il materiale vdW, l'onda acustica ultrasonica non distrugge il cristallo, lo deforma solo leggermente, il che significa che la struttura può essere pensata come un sistema di "molle". Conoscendo la velocità del suono dalle misurazioni e come queste molle rispondono alla deformazione, possiamo estrarre la forza relativa delle forze covalenti tra gli atomi e le forze vdW tra gli strati. Se applichiamo la cosiddetta teoria della funzione di densità con l'aiuto di computer ad alte prestazioni, possiamo stimare numericamente queste forze per diverse configurazioni di impilamento e suggerire come regolare l'elastico, proprietà elettriche e persino chimiche di diversi polimorfi di materiali vdW".
"Una buona analogia per le nostre scoperte può essere fatta pensando al pancake e allo Yorkshire pudding! Entrambi gli alimenti sono fatti dalla stessa miscela:uova, farina e latte, ma i loro diversi processi di cottura conferiscono loro strutture e proprietà diverse. Sebbene questo sia ovvio nel mondo macroscopico, trovare tali differenze nei materiali nanostrutturati dovute a sottili differenze nelle forze vdW è sorprendente ed eccitante, " afferma Wenjing Yan. "Questa ricerca apre la possibilità di sintonizzare le forze vdW impilando i materiali in modi diversi e allo stesso tempo monitorare in modo non distruttivo le proprietà di queste forze e la loro correlazione con le proprietà fisiche e chimiche della struttura multistrato. Facendo questo, saremo in grado di progettare il materiale allo scopo proprio come costruire i mattoncini Lego come proposto dai premi Nobel Andre Geim e Konstantin Novoselov."
