Laag-dimensionale materialen, zoals 1D mono-atomaire ketens, vertonen exotische eigenschappen die interessante toepassingen zouden kunnen vinden. Bindingen met één atoom en hun mechanische eigenschappen zijn echter moeilijk te bestuderen. In een recente studie demonstreren wetenschappers van JAIST, Japan, een nieuwe methode om gelijktijdig mono-atomaire platinaketens af te beelden met een transmissie-elektronenmicroscoop terwijl ze hun bindingssterkte en geleiding meten tijdens mechanisch strekken. Deze techniek zal helpen bij het beantwoorden van veel vragen op het gebied van nanomechanica en oppervlaktewetenschap.
Tegenwoordig bereiken veel goed bestudeerde materiaalvelden, zoals elektronica en katalyse, hun praktische grenzen bijna. Om de moderne technologie verder te verbeteren en de modernste apparaten te overtreffen, moeten onderzoekers die op zoek zijn naar nieuwe functionele materialen de grenzen verleggen en extremere gevallen onderzoeken. Een duidelijk voorbeeld hiervan is de studie van laag-dimensionale materialen, zoals mono-atomaire lagen (2D-materialen) en mono-atomaire ketens (1D-materialen).
Het is keer op keer bewezen dat laag-dimensionale materialen exotische eigenschappen vertonen die afwezig zijn in hun 3D-bulk-tegenhangers. Mono-atomaire ketens van metalen zoals goud en platina (Pt) kunnen bijvoorbeeld de bijdrage van bepaalde kwantumfenomenen vertonen, zoals magnetische orde of thermisch transport, op manieren die praktische toepassingen zouden kunnen vinden. Het is echter erg moeilijk om experimenteel waar te nemen wat er gebeurt in mono-atomaire ketens die uit vijf of minder atomen bestaan, en de mechanische eigenschappen van enkel-atoombindingen blijven ongrijpbaar.
Om dit probleem aan te pakken, pioniert een onderzoeksgroep onder leiding van professor Yoshifumi Oshima van Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, met een nieuwe en veelbelovende techniek om de sterkte van individuele atomaire bindingen te meten. Hun laatste studie, die werd gepubliceerd in Nano Letters en presenteerden hun strategie, betrokken onderzoekers van JAIST (Dr. Zhang, Dr. Ishizuka, Prof. Tomitori, Prof.Maezono en Prof. Hongo), evenals prof.Arai van Kanazawa University en prof.Tosatti van de International School for Advanced Studies (SISSA) en het Abdus Salam International Center for Theoretische Fysica (ICTP).
Deze nieuwe techniek, die Oshima de “microscopische nanomechanische meetmethode” noemde, combineert transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) met een kwartslengte-verlengingsresonator (LER). TEM is een veelgebruikte beeldvormende techniek met een ongelooflijk hoge ruimtelijke resolutie – genoeg om individuele atomen te onderscheiden – terwijl de LER een apparaat is dat kan oscilleren met ongelooflijk kleine amplitudes van een paar tien biljoensten van een meter en dient als een krachtsensor.
De onderzoekers bedachten een experimentele opstelling waarin een klein Pt-knooppunt werd uitgerekt tot het absolute breekpunt, dat wil zeggen, wanneer de twee stukjes Pt met elkaar werden verbonden door een mono-atomaire ketting van twee tot vijf atomen. Door de stukjes zorgvuldig in de TEM uit te lijnen, observeerden ze de vorming en het breken van de monoatomaire Pt-ketens in realtime. Bovendien maten ze met behulp van de LER van kwarts de geleiding over de ketting en de stijfheid, van waaruit de sterkte van individuele Pt-bindingen met succes werd berekend. “We vonden de bindingssterkte van 25 N / m in de monoatomaire Pt-ketens opmerkelijk hoog, vooral vergeleken met de 20 N / m die normaal wordt aangetroffen in bulk Pt-kristallen”, zegt Zhang. “Bovendien kunnen deze bindingen met één atoom ongeveer 24% van hun normale afstand worden uitgerekt, in schril contrast met de 5% die bindingen tussen Pt-atomen in bulk kunnen worden uitgerekt”, voegt hij eraan toe.
De resultaten van de studie tonen het potentieel van deze nieuwe techniek aan om mono-atomaire ketenbindingen te onderzoeken, wat zou kunnen leiden tot een beter begrip van de grensvlakken of oppervlakken van laag-dimensionale materialen. “Onze methode kan een grote bijdrage leveren aan het ontwerp van geavanceerde materialen en katalysatoren en kan ook licht werpen op verschijnselen op nanoschaal in termen van nanomechanica op het oppervlak of het grensvlak”, benadrukt Oshima. Op hun beurt zullen geavanceerdere materialen en een beter begrip van hun oppervlakte-eigenschappen ongetwijfeld de gebieden van elektronica, chemie en nanotechnologie vooruit helpen, waardoor de weg wordt geëffend voor innovatieve en hopelijk duurzame ontwerpen.
Het is zeer waarschijnlijk dat de uitdrukking “aan een zijden draadje hangen” binnenkort een positievere betekenis krijgt in de wetenschap van nanomaterialen.
Jiaqi Zhang et al. Eigenaardige Atomic Bond Nature in platina mono-atomaire ketens, Nano Letters (2021). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c00564
Nano Letters
Geleverd door Japan Advanced Institute of Science and Technology