Onderzoekers van de North Carolina State University en Brown University hebben ontdekt dat draden op nanoschaal (nanodraden) gemaakt van gewone halfgeleidermaterialen een uitgesproken anelasticiteit hebben - wat betekent dat de draden, wanneer gebogen, keren langzaam terug naar hun oorspronkelijke vorm in plaats van snel terug te klikken.

"Alle materialen hebben een zekere mate van anelasticiteit, maar het is meestal verwaarloosbaar op macroscopische schaal, " zegt Yong Zhu, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek bij NC State en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "Omdat nanodraden zo klein zijn, de anelasticiteit is significant en gemakkelijk waar te nemen, hoewel het een totale verrassing was toen we voor het eerst de anelasticiteit in nanodraden ontdekten." De anelasticiteit werd ontdekt toen Zhu en zijn studenten het knikgedrag van nanodraden bestudeerden.

"Anelasticiteit is een fundamentele mechanische eigenschap van nanodraden, en we moeten dit soort mechanisch gedrag begrijpen als we nanodraden willen inbouwen in elektronica of andere apparaten, " zegt Elizabeth Dickey, een professor in materiaalkunde en techniek bij NC State en co-auteur van het papier. Nanodraden zijn veelbelovend voor gebruik in een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief flexibel, rekbare en draagbare elektronische apparaten.

De onderzoekers werkten met zowel zinkoxide als silicium nanodraden, en ontdekte dat - wanneer gebogen - de nanodraden onmiddellijk meer dan 80 procent van de weg naar hun oorspronkelijke vorm zouden terugkeren, maar keer de rest van de weg (tot 20 procent) langzaam terug.

"In nanodraden met een diameter van ongeveer 50 nanometer, het kan 20 of 30 minuten duren voordat ze die laatste 20 procent van hun oorspronkelijke vorm hebben hersteld, " zegt Guangming Cheng, een doctoraat student in het lab van Zhu en de eerste auteur van het artikel.

Het werk werd gedaan met behulp van tools die zijn ontwikkeld in de groep van Zhu en waarmee het team experimenten op nanodraden kon uitvoeren terwijl ze zich in een scanning-elektronenmicroscoop bevonden. Aanvullende analyse werd uitgevoerd met behulp van een Titan aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop in de Analytical Instrumentation Facility van NC State.

Wanneer een materiaal wordt gebogen, de bindingen tussen atomen worden uitgerekt of samengedrukt om de buiging op te vangen, maar in materialen op nanoschaal is er tijd voor de atomen om ook te bewegen, of diffuus, van het samengedrukte gebied naar het uitgerekte gebied in het materiaal. Als je de gebogen nanodraad als een boog beschouwt, de atomen bewegen van de binnenkant van de boog naar de buitenkant. Wanneer de spanning in de gebogen draad wordt opgeheven, de atomen die gewoon dichter of verder uit elkaar zijn bewogen, schieten onmiddellijk terug; dit noemen we elasticiteit. Maar de atomen die helemaal uit hun positie zijn geraakt, hebben tijd nodig om terug te keren naar hun oorspronkelijke locatie. Die vertraging is een kenmerk van anelasticiteit.

"Dit fenomeen is uitgesproken in nanodraden. Bijvoorbeeld, zinkoxide nanodraden vertoonden anelastisch gedrag dat tot vier ordes van grootte groter is dan de grootste anelasticiteit waargenomen in bulkmaterialen, met een hersteltijdschaal in de orde van minuten, " zegt Huajian Gao, een professor aan de Brown University en co-corresponderende auteur van het artikel. Gedetailleerde modellering door de groep van Gao geeft aan dat de uitgesproken anelasticiteit in nanodraden komt omdat het voor atomen veel gemakkelijker is om door materialen op nanoschaal te bewegen dan door bulkmaterialen. En de atomen hoeven niet zo ver te reizen. In aanvulling, nanodraden kunnen veel verder worden gebogen dan dikkere draden zonder permanent te vervormen of te breken.

"Een recensent merkte op dat dit een nieuwe belangrijke pagina is in het boek over de mechanica van nanostructuren, wat erg vleiend was om te horen, " zegt Zhu. Het team is van plan te onderzoeken of deze uitgesproken anelasticiteit gebruikelijk is in materialen en structuren op nanoschaal. Ze willen ook evalueren hoe deze eigenschap andere eigenschappen kan beïnvloeden, zoals elektrische geleidbaarheid en thermisch transport.

De krant, "Grote anelasticiteit en bijbehorende energiedissipatie in enkelkristallijne nanodraden, " wordt online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .