De eerste directe meting van weerstand tegen buigen in een membraan op nanoschaal is gedaan door wetenschappers van de Universiteit van Chicago, Peking Universiteit, het Weizmann Institute of Science en het Argonne National Laboratory van het Department of Energy (DOE).

Hun onderzoek biedt onderzoekers een nieuwe, eenvoudigere methode om de weerstand van nanomaterialen tegen buigen en strekken te meten, en opent nieuwe mogelijkheden voor het maken van objecten en machines van nanoformaat door die weerstand te beheersen en aan te passen. (Een nanometer is een miljardste van een meter, ongeveer net zo lang als je vingernagels in één seconde groeien.)

Het onderzoeksteam werkte met een gouden nanomembraan. "Het is als een vel papier, slechts tienduizend keer dunner, " zei Heinrich Jaeger van de Universiteit van Chicago. "Als je een stuk papier over de rand van een tafel schuift, het buigt naar beneden. Het gouden nanomembraan gedraagt ​​zich op dezelfde manier, maar het is honderd keer stijver dan het papier als het op dezelfde dikte wordt geschaald - honderd keer beter bestand tegen buigen.

"Onderzoekers over de hele wereld zoeken naar manieren om ultradunne nanomaterialen te manipuleren tot stabiele driedimensionale objecten, "Zei Jaeger. "De uitdaging is hoe je van een tweedimensionale film een ​​driedimensionale vorm kunt maken als de film zo dun en flexibel is. Het is als nano-origami:hoe zorg je ervoor dat het een stabiele vorm behoudt? Je hebt iets stijver nodig dan je zou verwachten. Het blijkt dat veel nanomembranen die eigenschap misschien al hebben."

"We waren verrast toen we ontdekten dat het gouden nanomembraan meer dan honderd keer beter bestand was tegen buigen dan we hadden voorspeld, gebaseerd op standaard elasticiteitstheorie en onze ervaring met dunne platen, zoals papier, " zei Xiao-Min Lin, die de gouden nanodeeltjes fabriceerde in gespecialiseerde faciliteiten van het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science User Facility in Argonne. "We denken dat het verband houdt met de interne structuur van het membraan. Het membraan is slechts één nanodeeltje dik, dus het is in wezen alle oppervlakte met heel weinig binnenvolume. Een kleine structurele stoornis langs het oppervlak zou de weerstand tegen buigen aanzienlijk vergroten. We denken ook dat moleculaire pakking tussen nanodeeltjes het vermogen om te buigen sterk kan beïnvloeden."

Cruciaal voor de ontdekking van het team waren een nieuwe methode voor het maken van gouden membranen die zichzelf in nano-formaat scrolls rollen en een nieuwe techniek om de buigweerstand van de scroll te meten. Beide zijn ontwikkeld door Yifan Wang van de Universiteit van Chicago met behulp van de faciliteiten van CNM.

De gouden nanorollen waren zelf-geassembleerd door een vloeistof met gouden nanodeeltjes op een koolstofscherm te hangen. Terwijl de vloeistof opdroogde, het liet een gouden membraan hangen als een nanodrumvel over de cirkelvormige gaten van het scherm. Terwijl de membranen bleven drogen en strakker werden, een rand losgetrokken van het scherm, en het membraan rolde spontaan op tot een holle buis.

"Er zijn veel manieren om buisjes met nanodeeltjes te maken, " zei Wang, "maar het gaat om zaken als het blootstellen van membranen aan elektronenstralen, die fysieke eigenschappen kunnen veranderen, zoals hun weerstand tegen buigen en strekken - precies de dingen die we wilden meten. We hadden een niet-invasieve manier nodig om buisjes met nanodeeltjes te maken zonder die eigenschappen te veranderen."

Het team ontdekte dat de weerstand van een nanomembraan tegen zowel buigen als strekken kan worden berekend op basis van een enkel experiment dat atoomkrachtmicroscopie gebruikt om de buigweerstand te meten langs de lengte van een monolaagmembraan dat in een holle cilinder is gerold. (Atoomkrachtmicroscopie gebruikt een fysieke sonde om oppervlaktedetails zo klein als een fractie van een nanometer te meten.) Voor eerdere methoden waren twee afzonderlijke experimenten op nanoschaalmembranen nodig:een om de rekweerstand te meten en een andere om de buigweerstand te meten.

"De reactie van de buis op kleine lokale inkepingen is een handtekening van bijdragen aan zowel buigen als strekken, ", zei Wang. "Als gevolg daarvan, een enkele reeks metingen van de weerstand tegen indeuken langs de lengte van de buis biedt directe toegang tot de buigmodulus en rekmodulus - belangrijke parameters die nodig zijn om de weerstand tegen zowel buigen als strekken te berekenen."

Aangezien de meting alleen gebaseerd is op de elasticiteitstheorie en de geometrie van de buis, Wang legde uit, het moet algemeen toepasbaar zijn op een breed scala aan materialen en maatschalen, van nano- en microtubuli tot werkelijk macroscopische objecten.

"Ultradunne platen van slechts één nanodeeltje dik hebben unieke mechanische eigenschappen, " zei Wang. "Dit experiment biedt nieuwe input voor onafhankelijke controle van de weerstand tegen buigen en strekken op nanoschaal. Het moet mogelijk zijn om buig- en rekparameters op maat te maken en om nieuwe nanomaterialen en nano-objecten met specifieke gewenste eigenschappen te ontwikkelen."