Elektronenmicroscopietechniek vangt nanodeeltjesorganisaties om nieuwe materialen te smeden

Een onderzoeksteam inclusief leden van de Universiteit van Michigan heeft een nieuwe observatietechniek onthuld die gevoelig is voor de dynamiek van de intrinsieke kwantumschudden van materialen of fonons.

Dit werk zal wetenschappers en ingenieurs helpen bij het beter ontwerpen van metamaterialen-substanties die exotische eigenschappen bezitten die zelden in de natuur bestaan-die herconfigureerbaar zijn en gemaakt van oplossingen die nanodeeltjes bevatten die zelf assembleren in grotere structuren, zeiden de onderzoekers. Deze materialen hebben brede toepassingen, van schokabsorptie tot apparaten die akoestische en optische energie begeleiden in krachtige computertoepassingen.

“Dit opent een nieuw onderzoeksgebied waar bouwstenen op nanoschaal-samen met hun intrinsieke optische, elektromagnetische en chemische eigenschappen-kunnen worden opgenomen in mechanische metamaterialen, waardoor opkomende technologieën in meerdere gebieden van robotica en mechanische engineering tot informatietechnologie kunnen worden geïnformeerd,” zei Xiaoming Mao, UM-professor van de fysica en co-author van de nieuwe studie.

Fononen zijn natuurlijke fenomenen die kunnen worden beschouwd als afzonderlijke pakketten golven die door de bouwstenen van materialen bewegen, of het nu atomen, deeltjes of 3D-geprinte scharnieren zijn, waardoor ze trillen en energie overbrengen. Dit is een kwantummechanische beschrijving van gemeenschappelijke eigenschappen waargenomen in verschillende contexten, waaronder de overdracht van warmte, de geluidsstroom en zelfs seismische golven gevormd door aardbevingen.

Sommige materialen, zowel kunstmatig als natuurlijk, zijn ontworpen om fononen langs specifieke paden te verplaatsen, die specifieke mechanische attributen geven. Twee real-life voorbeelden hiervan zijn onder meer materialen die in structuren worden gebruikt om seismische golven te weerstaan ​​tijdens aardbevingen en de evolutie van de ruige, maar lichtgewicht skeletten van diepzee sponzen die de organismen in staat stellen de extreme druk van diepwateromgevingen te weerstaan.

“Met behulp van de vloeistoffase-elektronenmicroscopietechniek ontwikkeld in ons laboratorium in Illinois, markeert de nieuwe studie de eerste keer dat we de fonon-dynamiek hebben kunnen observeren in zelfassemblies van nanodeeltjes, die fungeren als een nieuw type mechanische metamaterialen,” zei Qian Chen, hoogleraar materialenwetenschappen en engineering aan de universiteit van Illinois.

Gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen,, de studie Combineert nanodeeltjesassemblage met mechanische metamateriale principes, waardoor de engineering van mechanische eigenschappen mogelijk is door structureel ontwerp. Het project is het resultaat van een vierjarige samenwerking tussen Chen, die de materialenwetenschap en experimentele portie leidde, Mao bij UM, die de theorie en mechanische metamaterialen leidde, en Wenxiao Pan, universitair docent werktuigtechniek aan de Universiteit van Wisconsin die het simulatiegedeelte leidde.

“Metamaterialen ontwerp is een zeer actief veld,” zei Chen. “Het meeste onderzoek is gericht op het rijk van Macroschaal, waar het gemakkelijker is om de geometrie en structuur te beheersen, en de fonon -eigenschappen te meten en te modelleren.”

Maar Chen en haar medewerkers werken op nanoschaal, waar zowel engineering als theoretische benaderingen van fononbesturing moeilijk zijn. Om dit probleem aan te pakken, gebruikte het team nauwkeurige theoretische modellering in combinatie met experimenten, observatietechnieken en machine learning-versnelde simulaties om een ​​nieuw kader voor metamaterialen te ontwikkelen.

In het laboratorium, met behulp van vloeistoffase-elektronenmicroscopie, onderzocht het team de vibratietrajecten van gouden nanodeeltjes om de fononbandstructuren te bepalen, en paste deze structuren vervolgens overeen met een discreet mechanisch model om nanoschaalveren te extraheren.

“Dit werk toont ook het potentieel van machine learning om de studie van complexe deeltjessystemen te bevorderen, waardoor het mogelijk is om hun zelfassemblageroutes te observeren die worden bestuurd door complexe dynamiek,” zei Pan. “Het opent nieuwe wegen voor gegevensgestuurd omgekeerd ontwerp van herconfigureerbare colloïdale metamaterialen met behulp van machine learning en kunstmatige intelligentie.”

“We zijn van mening dat we een geweldig kruispunt hebben tussen disciplines, samenwerking en de noodzaak van vooruitgang in de materialenwetenschap,” zei Chen. “Met nanodeeltjesassemblage kunnen we structuren ontwerpen met zeer gecontroleerde geometrie en vervolgens met mechanische metamaterialen het theoretische kader in materiaalontwerp aanpassen.”