Echografie op nanometerschaal onthult de aard van kracht

Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om kracht en atomaire bindingen op nanoschaal te meten, waaruit blijkt dat de snelheid van het geluid afhangt van de structuur waar het doorheen reist.

Wetenschappers van de Universiteit van Nottingham en Loughborough University gebruikten een meetmethode genaamd picoseconde ultrasoon, vergelijkbaar met medische echografie, om de sterkte van atoombinding in materiaal te meten. Hun onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.

Kracht is fundamenteel voor alles in het dagelijks leven. Van zo grootschalig als zwaartekracht die de werking van het hele universum onderstreept, tot zo kleinschalig als elektron-elektron interactie die huiveringwekkend kan zijn. Kracht is erg moeilijk te meten, vooral wanneer de krachten te groot of te klein zijn, dit is vooral het geval wanneer we de nanowereld betreden, bijvoorbeeld in de zogenaamde tweedimensionale van der Waals (2D-vdW) materialen waar objecten lengteschalen in het bereik van 10^-9 meter.

Deze materialen worden 2D-materialen genoemd omdat hun geometrische, fysische en chemische eigenschappen beperkt zijn tot twee dimensies binnen een dunne laag materiaal. Binnen de plaat zijn atomen stevig met elkaar verbonden door sterke covalente of ionische bindingen, terwijl de lagen zelf bij elkaar worden gehouden door een zwakke van der Waals-kracht. De totaal verschillende aard en het naast elkaar bestaan ​​van deze enorm verschillende krachtkrachten stellen wetenschappers in staat om het materiaal van omvangrijke gedolven kristallen te “afpellen” om enkele atoomlagen te perfectioneren en verbazingwekkende verschijnselen te ontdekken, waaronder supergeleiding bij kamertemperatuur. Tekenen op een stuk papier met bijvoorbeeld potloden is in feite een wetenschappelijk experiment om enkele atomaire lagen van koolstofatomen (grafeen) te maken, iets wat we allemaal al eeuwenlang doen zonder het te beseffen. Ondanks intensief onderzoek van vdW-materialen door vele onderzoeksgroepen over de hele wereld, zijn er nauwelijks experimentele technieken om de sterkte van atoombindingen en vdW-krachten te meten zonder de materialen te vernietigen.

Wenjing Yan was een van de hoofdonderzoekers van de School of Physics and Astronomy aan de Universiteit van Nottingham, legt ze uit: “We gebruikten picoseconde ultrasoon om zowel de sterke covalente bindingen als de zwakke vdW-krachten te meten zonder het materiaal te beschadigen. De techniek is vergelijkbaar met medische ultrageluid, maar met een veel hogere frequentie (terahertz) en dus niet-invasief. Het onderzoek schijnt 120 femtoseconden (0,00000000000012 seconde) “pomp” laserpulsen op vlokken van 2D-materiaal, waarbij fononen worden gegenereerd die gekwantiseerde geluidsgolven zijn. Terwijl fononen door het materiaal reizen , ze voelen en reageren op de atomen en de bindingen in het materiaal. De eigenschappen van deze fononen, die de sterkte van de atomaire bindingen weerspiegelen, worden vervolgens gemeten door een tweede “sonde” laserpuls. We ontdekten dat geluid zich op heel verschillende manieren voortplant. snelheden in verschillende fasen (structuren) van dezelfde stof.”

Alexander Balanov en Mark Greenaway van de Loughborough University breiden uit: “Tijdens het reizen door het vdW-materiaal, vernietigt de ultrasone akoestische golf het kristal niet, maar vervormt het het slechts een beetje, wat betekent dat de structuur kan worden gezien als een systeem van “veren”. als we de geluidssnelheid kennen uit metingen en hoe deze veren reageren op de vervorming, kunnen we de relatieve sterkte van de covalente krachten tussen de atomen en de vdW-krachten tussen de lagen extraheren.Als we de zogenaamde dichtheidsfunctietheorie toepassen met behulp van high-performance computers kunnen we deze krachten numeriek schatten voor verschillende stapelconfiguraties en voorstellen hoe we de elastische, elektrische en zelfs chemische eigenschappen van verschillende polymorfen van vdW-materialen kunnen afstemmen.”

“Een goede analogie voor onze bevindingen kan worden gemaakt door na te denken over pannenkoek en Yorkshire pudding! Beide voedingsmiddelen zijn gemaakt van hetzelfde mengsel: ei, bloem en melk, maar hun verschillende kookprocessen geven ze verschillende structuren en eigenschappen. Hoewel dit duidelijk is in de macroscopische wereld, is het verrassend en opwindend om zulke verschillen in nanogestructureerde materialen te vinden als gevolg van subtiele verschillen in vdW-krachten, “zegt Wenjing Yan. “Dit onderzoek opent mogelijkheden om vdW-krachten af ​​te stemmen door materialen op verschillende manieren te stapelen en tegelijkertijd niet-destructief de eigenschappen van deze krachten en hun correlatie met de fysische en chemische eigenschappen van de meerlaagse structuur te volgen. Door dit te doen, zullen we in staat om het materiaal voor een bepaald doel te ontwerpen, net als het bouwen van Lego-blokken zoals voorgesteld door de Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov.”