Er is een verrassend fenomeen gevonden in metalen nanodeeltjes:ze verschijnen, van de buitenkant, vloeibare druppeltjes zijn, wiebelen en gemakkelijk van vorm veranderen, terwijl hun interieur een perfect stabiele kristalconfiguratie behoudt.

Het onderzoeksteam achter de bevinding, onder leiding van MIT-professor Ju Li, zegt dat het werk belangrijke implicaties kan hebben voor het ontwerp van componenten in nanotechnologie, zoals metalen contacten voor moleculaire elektronische circuits.

De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , komen uit een combinatie van laboratoriumanalyse en computermodellering, door een internationaal team met onder meer onderzoekers in China, Japan, en Pittsburgh, evenals bij het MIT.

De experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur, met deeltjes puur zilver van minder dan 10 nanometer doorsnee - minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Maar de resultaten zouden van toepassing moeten zijn op veel verschillende metalen, zegt Li, senior auteur van de paper en de BEA Professor of Nuclear Science and Engineering.

Zilver heeft een relatief hoog smeltpunt - 962 graden Celsius, of 1763 graden Fahrenheit - dus observatie van vloeistofachtig gedrag in zijn nanodeeltjes was "vrij onverwacht, " zegt Li. Hints van het nieuwe fenomeen waren gezien in eerder werk met tin, die een veel lager smeltpunt heeft, hij zegt.

Het gebruik van nanodeeltjes in toepassingen variërend van elektronica tot farmaceutica is een levendig onderzoeksgebied; over het algemeen, Li zegt, deze onderzoekers "willen vormen vormen, en ze willen dat deze vormen stabiel zijn, in veel gevallen over een periode van jaren." Dus de ontdekking van deze vervormingen onthult een potentieel ernstige barrière voor veel van dergelijke toepassingen:als gouden of zilveren nanoligamenten worden gebruikt in elektronische schakelingen, deze vervormingen kunnen snel leiden tot het uitvallen van elektrische verbindingen.

Alleen huid diep

De gedetailleerde beeldvorming van de onderzoekers met een transmissie-elektronenmicroscoop en atomistische modellering onthulde dat hoewel de buitenkant van de metalen nanodeeltjes lijkt te bewegen als een vloeistof, alleen de buitenste lagen - een of twee atomen dik - bewegen op een bepaald moment. Terwijl deze buitenste lagen van atomen over het oppervlak bewegen en ergens anders neerslaan, ze geven de indruk van een veel grotere beweging - maar binnen elk deeltje, de atomen blijven perfect uitgelijnd, als bakstenen in een muur.

"Het interieur is kristallijn, dus de enige mobiele atomen zijn de eerste een of twee monolagen, "zegt Li. "Overal behalve de eerste twee lagen is kristallijn."

Daarentegen, als de druppeltjes zouden smelten tot een vloeibare toestand, de ordelijkheid van de kristalstructuur zou volledig worden geëlimineerd - als een muur die in een hoop stenen valt.

Technisch gezien, de vervorming van de deeltjes is pseudo-elastisch, wat betekent dat het materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm nadat de spanningen zijn verwijderd - zoals een samengeperste rubberen bal - in tegenstelling tot plasticiteit, als in een vervormbare klomp klei die een nieuwe vorm behoudt.

Het fenomeen plasticiteit door grensvlakdiffusie werd voor het eerst voorgesteld door Robert L. Coble, een professor in keramische technologie aan het MIT, en staat bekend als "Coble kruip." "Wat we zagen heet toepasselijk Coble pseudo-elasticiteit, "zegt Li.

Nu het fenomeen is begrepen, onderzoekers die aan nanocircuits of andere nanodevices werken, kunnen dit vrij gemakkelijk compenseren, zegt Li. Als de nanodeeltjes worden beschermd door zelfs maar een verdwijnend dunne laag oxide, het vloeistofachtige gedrag is bijna volledig geëlimineerd, stabiele schakelingen mogelijk te maken.

Mogelijke voordelen

Anderzijds, voor sommige toepassingen kan dit fenomeen nuttig zijn:in circuits waar elektrische contacten roterende herconfiguratie moeten weerstaan, deeltjes die zijn ontworpen om dit effect te maximaliseren, kunnen nuttig zijn, met behulp van edele metalen of een reducerende atmosfeer, waar de vorming van een oxidelaag wordt gedestabiliseerd, zegt Li.

De nieuwe bevinding druist in tegen de verwachtingen - deels, vanwege een goed begrepen relatie, in de meeste materialen, waarbij de mechanische sterkte toeneemt naarmate de grootte kleiner wordt.

"In het algemeen, hoe kleiner de maat, hoe hoger de sterkte, "Li zegt, maar "bij zeer kleine maten, een materiële component kan veel zwakker worden. De overgang van 'kleiner is sterker' naar 'kleiner is veel zwakker' kan heel scherp zijn."

die kruising, hij zegt, vindt plaats op ongeveer 10 nanometer bij kamertemperatuur - een grootte die fabrikanten van microchips benaderen naarmate circuits krimpen. Wanneer deze drempel is bereikt, Li zegt, het veroorzaakt "een zeer steile daling" in de sterkte van een nanocomponent.

De bevindingen kunnen ook helpen bij het verklaren van een aantal afwijkende resultaten die zijn waargenomen in ander onderzoek naar kleine deeltjes, zegt Li.