Het decoderen van nanomateriale fase -overgangen met kleine drums

Wanneer water in ijs bevriest of in damp kookt, veranderen de eigenschappen dramatisch bij specifieke temperaturen. Deze zogenaamde fase-overgangen zijn van fundamenteel belang voor het begrijpen van materialen. Maar hoe gedragen dergelijke overgangen zich in nanomaterialen?

In NatuurcommunicatieEen team van wetenschappers onder leiding van Tu Delft (Nederland) presenteert nieuwe inzichten in de complexe aard van faseversners in magnetische nanomaterialen. Hun bevindingen onthullen de koppeling tussen magnetische en mechanische eigenschappen, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor ultra-gevoelige sensoren.

De wetenschappers van Tu Delft bestudeerden samen met collega’s van de Universiteit van Valencia en de Nationale Universiteit van Singapore de 2d Nanomaterial FEPS₃, die slechts enkele atomen dik zijn. Voor het eerst ontwikkelden ze een methode om diepere inzichten te verkrijgen in de zeer complexe fase -overgangen van dergelijke materialen.

Door kleine, gesuspendeerde membranen van FEPS₃ te gebruiken, trilde het team het materiaal bij hoge amplitudes terwijl het de temperatuur vegen. Dit onthulde hoe de trillingen van het materiaal veranderen in de buurt van zijn fase -overgangstemperatuur en daarmee de magnetische eigenschappen ervan.

“Stel je een trommel voor met een magnetische structuur, waar het laserlicht werkt als de drumstick – het laatst laten trillen terwijl het ritme subtiel verschuift met veranderende temperatuur,” legt Farbod Alijani, universitair hoofddocent aan de faculteit Mechanische engineering van Tu Delf.

“Hoewel warm, is deze magnetische trommel los, en zijn magnetische spins, die natuurlijke wendingen zijn in deeltjes die ze laten werken als kleine magneten, bevinden zich in een ongeordende fase. Maar zodra het koud wordt, wordt de trommel vastgevangen, met de spins die in een geordend patroon snappen. Stel je nu voor dat je de temperatuur langzaam verandert van de temperatuur van warm tot koud.

“Zoals u doet, merkt u niet alleen wanneer de trommel zich anders begint te voelen, maar ook dat deze verandering niet soepel (lineair) is – het ontvouwt zich op een ingewikkelde en onregelmatige (niet -lineaire) manier, die de mechanische eigenschappen beïnvloedt.”

Fase -overgangstemperatuur

De onderzoekers hebben in wezen deze niet -lineaire verandering gemeten tijdens de faseovergang. Door een trommel op nanoschaal te gebruiken, kunnen ze de temperatuur detecteren waarbij deze plotselinge transformatie optreedt en bestuderen hoe het mechanische gedrag van de trommel in detail verandert. “We hebben de faseovergangstemperatuur op ongeveer -160 ° C vastgesteld”, zegt Makars Šiškins, wiens Ph.D. Werk inspireerde deze studie.

“Bovendien hebben we vastgesteld dat de veranderingen in de mechanische respons aangedreven door de temperatuurverschuivingen direct zijn gekoppeld aan de magnetische en elastische eigenschappen van het materiaal.”

Ultra-gevoelige sensoren

Deze membranen zijn uitzonderlijk gevoelig voor zowel interne als externe krachten. Šiškins voegt eraan toe: “Deze gevoeligheid positioneert ze als ideale kandidaten voor sensoren die zelfs zeer kleine omgevingsveranderingen of interne spanningen in het materiaal zelf kunnen detecteren.”

Het team is van plan deze methodologie toe te passen om de geheimen van faseovergangen in andere nanomaterialen te onthullen.

Co-auteur Herre van der Zant zei: “In ons lab zullen we onderzoeken of we zogenaamde spingolven met het nanodrum kunnen detecteren. Je kunt spingolven beschouwen als dragers van informatie in een magnetisch materiaal, net zoals elektronen zijn voor geleidende materialen.”

Alijani zal zich richten op het vertalen van deze bevindingen in praktische toepassingen, zoals het verbeteren van de sensorprestaties.

“Het begrijpen van deze niet-lineaire processen legt de basis voor innovatieve nanomechanische apparaten, inclusief ultra-gevoelige sensoren,” merkt hij op.