Exotische trillingen in nieuwe materialen: nieuwe inzichten tonen universele toepasbaarheid van Carbyne als sensor

Voor het ontwerp van toekomstige materialen is het belangrijk om te begrijpen hoe de individuele atomen in een materiaal mechanisch met elkaar interageren. Voorheen onverklaarbare vibratietoestanden tussen koolstofketens (Carbyne) en nanobuisjes hebben materialenwetenschappers verbaasd.

Onderzoekers uit Oostenrijk, Italië, Frankrijk, China en Japan onder leiding van de Universiteit van Wenen zijn er nu in geslaagd dit fenomeen te bereiken met behulp van Raman -spectroscopie, innovatieve theoretische modellen en het gebruik van machinaal leren. De resultaten, gepubliceerd in Natuurcommunicatietoon de universele toepasbaarheid van Carbyne als een sensor vanwege de gevoeligheid voor externe invloeden.

Voor het ontwerp van toekomstige materialen is het belangrijk om te begrijpen hoe materie op atomaire schaal interageert. Deze kwantummechanische effecten bepalen alle macroscopische eigenschappen van materie, zoals elektrische, magnetische, optische of elastische eigenschappen. In experimenten gebruiken wetenschappers Raman -spectroscopie, waarin licht interageert met materie, om de trillings -eigenstaten van de atoomkernen van de monsters te bepalen.

Negen jaar geleden slaagde de onderzoeksgroep van Thomas Pichler aan de Universiteit van Wenen voor het eerst in het stabiliseren van Carbyne, een lineaire keten van koolstofatomen, in koolstofnanobuisjes tot de verrassing van de wetenschappelijke gemeenschap.

Carbyne, dat tot nu toe alleen in een buis is gevonden, heeft controleerbare elektronische eigenschappen, essentieel voor halfgeleidertechnologie en kan het sterkste bekende materiaal zijn in termen van de treksterkte. In hun experiment observeerde het team een ​​onverwachte systeemstatus die niet overeenkwam met het gemeenschappelijke verklarende model en werd destijds volledig verkeerd begrepen.

De onderzoekers hebben nu deze onverklaarbare systeemstatus nader bekeken. Met behulp van een innovatief theoretisch model, dat alleen kon worden toegepast dankzij recente doorbraken in machine learning, konden ze een verklaring vinden voor de nieuwe interacties tussen de keten en nanobuis waargenomen in de laboratoria, die aanvankelijk paradoxaal leek.

“Hoewel de ketting en de nanobuis elektronisch geïsoleerd zijn en daarom geen elektronen uitwisselen, zijn ze onderworpen aan een onverwacht sterke koppeling tussen de trillingen van de twee nanostructuren”, legt Emil Parth uit van de Universiteit van Wenen, hoofdauteur van de studie.

Met andere woorden, de Carbyne en Nanotube praten elektronisch met elkaar, terwijl ze tegelijkertijd elektronisch geïsoleerd zijn in klassieke zin. Deze kwantummechanische koppeling van trillingen is meestal te verwaarlozen, maar in dit specifieke geval is het uitstekend sterk vanwege de intrinsieke elektronische eigenschappen en structurele instabiliteit van de keten.

Dit is wat de keten zo interessant maakt, omdat deze sterk reageert op externe invloeden. Het werkt daarom sterk samen met de nanobuis eromheen. De nieuwe studie toont aan dat deze interactie verrassend niet eenzijdig is, omdat de Carbyne ook de eigenschappen van de nanobuis verandert, zij het op een andere manier dan eerder aangenomen.

“De gevoeligheid van carbyne voor externe invloeden is cruciaal voor zijn potentiële toepassing in toekomstige materialen en apparaten als een contactloze optische sensor op het nanoschaal, bijvoorbeeld als een lokale temperatuursensor voor warmtetransportmetingen,” concludeert Pichler, hoofd van de onderzoeksgroep aan de Universiteit van Vienna.