Le proprietà dei bordi dei nanoribbon sono importanti per le loro applicazioni in dispositivi elettronici, sensori e catalizzatori. Un gruppo di scienziati provenienti dal Giappone e dalla Cina ha studiato la risposta meccanica di nanonastri di bisolfuro di molibdeno a strato singolo con bordi a poltrona utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in situ.
Hanno dimostrato che il modulo di Young del nanoribbon variava inversamente con la sua larghezza al di sotto della larghezza di 3 nm, indicando una maggiore rigidità del legame per i bordi della poltrona. Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista Advanced Science , è stato scritto in collaborazione dal professore associato Kenta Hongo e dal professor Ryo Maezono del JAIST e dal docente Chunmeng Liu e dal docente Jiaqi Zhang dell'Università di Zhengzhou, Cina.
I sensori sono diventati onnipresenti nel mondo moderno, con applicazioni che vanno dal rilevamento di esplosivi, alla misurazione non invasiva dei picchi fisiologici di glucosio o cortisolo alla stima dei livelli di gas serra nell'atmosfera.
La tecnologia primaria richiesta per i sensori è un risonatore meccanico. Tradizionalmente, i cristalli di quarzo sono stati utilizzati per questo scopo grazie alla loro elevata rigidità e facile reperibilità. Tuttavia, questa tecnologia ha recentemente lasciato il posto ai nanomateriali avanzati. Uno di questi materiali promettenti è il bisolfuro di molibdeno a parete singola (MoS2 ) nanonastro.
La caratterizzazione delle proprietà fisiche e chimiche dei bordi dei nanonastri è fondamentale per le loro applicazioni in dispositivi elettronici, sensori e catalizzatori. Tuttavia, la risposta meccanica di MoS2 i nanonastri, che si prevede dipendano dalla loro struttura del bordo, sono rimasti inesplorati, ostacolando la loro implementazione pratica nei risonatori sottili.
In questo contesto, un gruppo di scienziati provenienti dal Giappone e dalla Cina, guidati dal professor Yoshifumi Oshima del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), ha studiato le proprietà meccaniche, vale a dire il modulo di Young, del MoS a strato singolo2 nanonastri con bordi di poltrona in funzione della loro larghezza utilizzando un metodo di misurazione micromeccanica.
Il Prof. Oshima afferma:"Abbiamo sviluppato il primo metodo di misurazione micromeccanica al mondo per chiarire la relazione tra la disposizione atomica dei materiali su scala atomica e la loro resistenza meccanica incorporando un risonatore di estensione della lunghezza (LER) a base di quarzo in un elettrone di trasmissione in situ supporto per microscopia (TEM)."
Poiché la frequenza di risonanza di un risonatore al quarzo cambia quando rileva il contatto con un materiale, la costante elastica equivalente del materiale può essere stimata con elevata precisione dalla variazione di questa frequenza di risonanza. Inoltre, è possibile acquisire immagini TEM ad alta risoluzione poiché l'ampiezza della vibrazione LER necessaria per la misurazione è pari a 27 pm. Di conseguenza, il nuovo metodo sviluppato dai ricercatori è riuscito a superare i limiti delle tecniche convenzionali, ottenendo misurazioni ad alta precisione.
I ricercatori hanno prima sintetizzato un MoS2 a strato singolo nanonastro staccando lo strato più esterno del bordo piegato di un MoS2 multistrato utilizzando una punta in tungsteno. Il nanonastro a strato singolo era supportato tra il multistrato e la punta.
L'immagine TEM di questo MoS2 nanoribbon ha rivelato che il suo bordo aveva una struttura a poltrona. "Anche la larghezza e la lunghezza del nanonastro sono state misurate dall'immagine e la corrispondente costante elastica equivalente è stata determinata dallo spostamento di frequenza del LER per ottenere il modulo di Young di questo nanonastro", ha affermato il docente Chunmeng Liu.
I ricercatori hanno scoperto che il modulo di Young del MoS2 a strato singolo i nanonastri con i bordi della poltrona dipendevano dalla loro larghezza. Sebbene sia rimasta costante intorno a 166 GPa per i nastri più larghi, ha mostrato una relazione inversa con la larghezza per i nastri di larghezza inferiore a 3 nm, aumentando da 179 GPa a 215 GPa man mano che la larghezza del nanoribbon è diminuita da 2,4 nm a 1,1 nm. I ricercatori hanno attribuito questo ad una maggiore rigidità di adesione dei bordi rispetto a quella dell'interno.
I calcoli della teoria del funzionale della densità eseguiti dai ricercatori per spiegare la loro osservazione hanno rivelato che gli atomi di Mo si deformavano sul bordo della poltrona, provocando il trasferimento di elettroni agli atomi di S su entrambi i lati. Ciò, a sua volta, ha aumentato l'attrazione coulombiana tra i due atomi, aumentando la resistenza del bordo.
Questo studio getta luce importante sulle proprietà meccaniche del MoS2 nanonastri, che potrebbero facilitare la progettazione di risonatori meccanici ultrasottili su scala nanometrica.
"I nanosensori basati su tali risonatori possono essere integrati in smartphone e orologi, consentendo alle persone di monitorare il proprio ambiente e di comunicare il senso del gusto e dell'olfatto sotto forma di valori numerici", conclude il docente Jiaqi Zhang.
Ulteriori informazioni: Chunmeng Liu et al, Incollaggio più rigido del bordo della poltrona nei nanonastri di bisolfuro di molibdeno a strato singolo, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202303477
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
Fornito dal Japan Advanced Institute of Science and Technology
