La miniaturizzazione è al centro di innumerevoli progressi tecnologici. È innegabile che man mano che i dispositivi e i loro elementi costitutivi diventano più piccoli, riusciamo a sbloccare nuove funzionalità e a trovare applicazioni senza precedenti. Tuttavia, con sempre più scienziati che approfondiscono i materiali con strutture su scala atomica, le lacune nella nostra attuale comprensione della fisica dei nanomateriali stanno diventando più evidenti.

Ad esempio, la superficie del nanomateriale rappresenta una di queste lacune di conoscenza. Questo perché l'influenza degli effetti quantistici di superficie diventa molto più evidente quando il rapporto superficie-volume di un materiale è elevato. Nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), un argomento di attualità nella ricerca, le proprietà fisiche dei nanomateriali differiscono notevolmente dalle loro controparti sfuse quando la loro dimensione è ridotta a pochi atomi. Una solida comprensione delle proprietà meccaniche dei nanofili e dei nanocontatti, componenti integrali dei NEMS, è essenziale per far progredire questa tecnologia. Ma misurarli si è rivelato un compito impegnativo.

In questo contesto, un team di ricerca giapponese ha recentemente raggiunto un'impresa senza precedenti quando è riuscito a misurare con precisione il modulo elastico dei nanocontatti d'oro allungati fino a pochi atomi. Lo studio, pubblicato in Physical Review Letters , è stato guidato dal Prof. Yoshifumi Oshima del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Il resto del team comprendeva il ricercatore post-dottorato Jiaqi Zhang e il professor Masahiko Tomitori del JAIST e il professor Toyoko Arai dell'Università di Kanazawa.

Per osservare i nanocontatti d'oro mentre venivano allungati meccanicamente, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) nel vuoto ultra alto. Ciò era essenziale per garantire che la superficie dei nanocontatti rimanesse perfettamente pulita durante le misurazioni. Nel frattempo, per misurare accuratamente il modulo di Young (una misura della rigidità) dei nanocontatti, il team ha fatto ricorso a una tecnica innovativa che avevano sviluppato in precedenza. Hanno messo un risonatore a estensione della lunghezza al quarzo (LER) in un supporto TEM e hanno attaccato un lato del nanocontatto ad esso. Nella loro configurazione, la frequenza di risonanza è cambiata a seconda della "costante elastica equivalente" del nanocontatto d'oro, che è correlata al modulo di Young del materiale. "Con il nostro approccio, che abbiamo chiamato 'metodo di misurazione nanomeccanico', possiamo misurare con precisione la costante elastica equivalente di un nanomateriale osservandolo contemporaneamente utilizzando TEM e misurandone la conduttività elettrica", spiega il prof. Oshima.

Usando questa strategia, i ricercatori hanno sperimentato nanocontatti d'oro che hanno allungato progressivamente senza rompersi. Hanno osservato come i singoli atomi si sono riorganizzati in nuovi strati mentre ogni nanocontatto veniva allungato e hanno calcolato come il modulo di Young cambiava a seconda delle sue dimensioni. Mentre il modulo di Young dell'interno dei nanocontatti era uguale a quello dell'oro sfuso (90 GPa), quello della superficie dei nanocontatti è risultato essere di soli 22 GPa.

Con questa conoscenza, il team ha dimostrato che la forza complessiva dei nanocontatti d'oro è governata dalla morbidezza del loro strato superficiale più esterno. "I nostri risultati chiariscono perché la forza di un nanomateriale differisce da quella dei cristalli sfusi a seconda delle sue dimensioni e il nostro approccio ci consente di stimare il modulo di Young di qualsiasi tipo di oro nanometrico", osserva il prof. Oshima. "In particolare, i nostri risultati forniscono linee guida appropriate per la progettazione e lo sviluppo di nanofili e nanofogli per NEMS. Ciò potrebbe aprire le porte a promettenti sensori di pressione, gas e suono, tra le altre applicazioni", aggiunge.

A parte NEMS, il team prevede che i loro risultati, insieme al loro metodo di misurazione, potrebbero avere potenziali implicazioni per la chimica poiché le reazioni chimiche dipendono non solo dalla struttura o dallo stato elettronico del catalizzatore, ma anche dalle vibrazioni su scala atomica sulla sua superficie. Poiché queste vibrazioni atomiche sono correlate alla resistenza superficiale del materiale, è possibile che la metodologia proposta possa aiutarci a trovare nuovi modi per controllare le reazioni chimiche. + Esplora ulteriormente

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