![Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding aan de linkerkant en een kleurenkaartversie aan de rechterkant markeert vervormingen in zilveren nanobladen die over ijzeroxide-nanobolletjes zijn gelegd. Wetenschappers van Rice University hebben vastgesteld dat van der Waals-krachten tussen de bollen en platen voldoende zijn om het zilver te vervormen, waardoor defecten in hun kristallijne roosters ontstaan die kunnen worden gebruikt in optica of katalyse. Krediet: The Jones Lab / Rice University Zwakke kracht heeft een grote invloed op nanobladen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/1-weakforcehas.jpg)
Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding aan de linkerkant en een kleurenkaartversie aan de rechterkant markeert vervormingen in zilveren nanobladen die over ijzeroxide-nanobolletjes zijn gelegd. Wetenschappers van Rice University hebben vastgesteld dat van der Waals-krachten tussen de bollen en platen voldoende zijn om het zilver te vervormen, waardoor defecten in hun kristallijne roosters ontstaan die kunnen worden gebruikt in optica of katalyse. Krediet: The Jones Lab / Rice University
Je moet goed kijken, maar de heuvels leven met de kracht van van der Walls.
Wetenschappers van Rice University ontdekten dat de natuur alomtegenwoordig is “zwak” kracht is voldoende om stijve nanobladen te laten inspringen, waardoor hun potentieel voor gebruik in optica op nanoschaal of katalytische systemen wordt vergroot.
Het veranderen van de vorm van deeltjes op nanoschaal verandert hun elektromagnetische eigenschappen, zei Matt Jones, de Norman en Gene Hackerman assistent-professor scheikunde en een assistent-professor materiaalkunde en nanoengineering. Dat maakt het fenomeen nader onderzoek waard.
“Mensen geven om de vorm van deeltjes, omdat de vorm zijn optische eigenschappen verandert,” Zei Jones. “Dit is een totaal nieuwe manier om de vorm van een deeltje te veranderen.”
Jones en afgestudeerde studente Sarah Rehn leidden de studie bij de American Chemical Society Nano Letters.
Van der Waals is een zwakke kracht waarmee neutrale moleculen elkaar kunnen aantrekken via willekeurig fluctuerende dipolen, afhankelijk van de afstand. Hoewel klein, zijn de effecten ervan te zien in de macrowereld, zoals wanneer gekko’s muren oplopen.
“Van der Waals-krachten zijn overal en in wezen is alles op nanoschaal plakkerig,” Zei Jones. “Wanneer je een groot, plat deeltje op een groot, plat oppervlak legt, is er veel contact, en dat is voldoende om een deeltje dat heel dun en flexibel is, permanent te vervormen.”
![Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding van wetenschappers van Rice University toont een zilveren nanoplaat die is vervormd door een deeltje, waardoor bloemvormige spanningscontouren in het materiaal ontstaan die duiden op een hobbel. Door de vorm van het materiaal te veranderen, veranderen de elektromagnetische eigenschappen ervan, waardoor het geschikt wordt voor katalyse of optische toepassingen. Krediet: The Jones Lab / Rice University Zwakke kracht heeft een grote invloed op nanobladen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/2-weakforcehas.jpg)
Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding van wetenschappers van Rice University toont een zilveren nanoplaat die is vervormd door een deeltje, waardoor bloemvormige spanningscontouren in het materiaal ontstaan die duiden op een hobbel. Door de vorm van het materiaal te veranderen, veranderen de elektromagnetische eigenschappen ervan, waardoor het geschikt wordt voor katalyse of optische toepassingen. Krediet: The Jones Lab / Rice University
In de nieuwe studie besloot het Rice-team om te zien of de kracht kon worden gebruikt om 8 nanometer dikke vellen ductiel zilver te manipuleren. Nadat een wiskundig model had aangetoond dat het mogelijk was, plaatsten ze 15 nanometer brede nanobolletjes van ijzeroxide op een oppervlak en strooiden er prismavormige nanobladen overheen.
Zonder enige andere kracht uit te oefenen, zagen ze door een transmissie-elektronenmicroscoop dat de nano-bladen permanente oneffenheden kregen waar ze voorheen niet bestonden, precies bovenop de bollen. Zoals gemeten, waren de vervormingen ongeveer 10 keer groter dan de breedte van de bollen.
De heuvels waren niet erg hoog, maar simulaties bevestigden dat de aantrekkingskracht van Van der Waals tussen de plaat en het substraat rond de bollen voldoende was om de plasticiteit van het kristallijne atoomrooster van het zilver te beïnvloeden. Ze toonden ook aan dat hetzelfde effect zou optreden in nanobladen van siliciumdioxide en cadmiumselenide, en misschien ook in andere verbindingen.
“We probeerden hele dunne, grote zilveren nanoplaten te maken en toen we begonnen met het maken van foto’s, zagen we deze vreemde zesvoudige stampatronen, zoals bloemen,” zei Jones, die in 2018 een meerjarige Packard Fellowship verdiende om geavanceerde microscopietechnieken te ontwikkelen.
“Het sloeg nergens op, maar uiteindelijk kwamen we erachter dat het een bolletje smurrie was waarover het bord was gedrapeerd, waardoor de spanning ontstond,” hij zei. “We dachten niet dat iemand dat had onderzocht, dus besloten we een kijkje te nemen.
“Waar het op neerkomt is dat wanneer je een deeltje heel dun maakt, het heel flexibel wordt, zelfs als het een hard metaal is,” Zei Jones.
![Wetenschappers van Rice University vonden het alomtegenwoordige, "zwak" van der Waals-kracht was voldoende om een stijve zilveren nanoblad te laten inspringen. Het fenomeen suggereert mogelijke toepassingen in optica op nanoschaal of katalytische systemen. Krediet: The Jones Lab / Rice University Zwakke kracht heeft een grote invloed op nanobladen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/3-weakforcehas.jpg)
In verdere experimenten zagen de onderzoekers dat nanobolletjes kunnen worden gebruikt om de vorm van de vervorming te regelen, van enkele ribbels wanneer twee bollen dichtbij zijn, tot zadelvormen of geïsoleerde hobbels wanneer de bollen verder uit elkaar staan.
Ze stelden vast dat platen met een dikte van minder dan ongeveer 10 nanometer en met een aspectverhouding van ongeveer 100 het meest vatbaar zijn voor vervorming.
De onderzoekers merkten op dat hun techniek ontstaat “een nieuwe klasse van kromlijnige structuren op basis van substraattopografie” dat “zou moeilijk lithografisch te genereren zijn.” Dat opent nieuwe mogelijkheden voor elektromagnetische apparaten die vooral relevant zijn voor nanofotonisch onderzoek.
Door het zilverrooster te spannen, wordt het inerte metaal ook een mogelijke katalysator door defecten te creëren waar chemische reacties kunnen plaatsvinden.
“Dit wordt spannend omdat de meeste mensen dit soort metamaterialen nu maken door middel van lithografie,” Zei Jones. “Dat is echt een krachtig hulpmiddel, maar als je dat eenmaal hebt gebruikt om je metaal een patroon te geven, kun je het nooit meer veranderen.
“Nu hebben we de optie, misschien ooit, om een materiaal te bouwen dat één set eigenschappen heeft en het dan te veranderen door het te vervormen,” hij zei. “Omdat de krachten die hiervoor nodig zijn zo klein zijn, hopen we een manier te vinden om tussen de twee te schakelen.”
Sarah M.Rehn et al, Mechanische hervorming van anorganische nanostructuren met zwakke krachten op nanoschaal, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c03383
Nano Letters
Geleverd door Rice University