Onderzoekers melden dat het mogelijk is om een ​​nanodeeltje op het oppervlak van een grafeenvel te verplaatsen door een temperatuurverschil aan te brengen aan de uiteinden van het membraan - een nanocluster op het oppervlak zal van het warme naar het koude gebied drijven. In aanvulling, in strijd met de natuurkundige wetten op macroschaal, de kracht die op het deeltje inwerkt - de zogenaamde thermoforetische kracht - mag niet afnemen naarmate de plaatlengte toeneemt, in plaats daarvan een zogenaamd ballistisch gedrag vertonen, als een kogel in een geweerloop. In feite, simulaties tonen aan dat verticale thermische oscillaties van het grafeenmembraan ballistisch van warm naar koud stromen, een duwtje in de rug geven aan het object.

Om een ​​andere analogie te gebruiken, deze verticale golven, bekend als flexurale fononen, duw de nanocluster op dezelfde manier als oceaangolven een surfplank naar de kust duwen, hoe ver de golf ook vandaan kwam. Deze theoretische voorspellingen kunnen van groot belang zijn bij het manipuleren van materialen op nanoschaal. Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Temperatuurgradiënten in een vloeistof geven een lichaam een ​​kracht die het kan verdringen. Een dergelijk fenomeen, technisch aangeduid als thermoforese, is al eeuwen bekend. Recenter, numerieke simulaties hebben aangetoond dat een dergelijke gradiënt-geïnduceerde ruimtelijke verschuiving ook werkt voor moleculen of kleine clusters die op een solide tweedimensionaal membraan zoals grafeen zijn geplaatst. Maar niemand heeft ooit geprobeerd de fysica achter het proces te begrijpen. Dit was het doel van ons onderzoek, ', leggen de wetenschappers uit.

Met behulp van specifieke software, hebben de onderzoekers het gedrag van een kleine gouden nanocluster gesimuleerd, gemaakt van een paar honderd atomen, geadsorbeerd op een grafeenvel opgehangen tussen twee uiteinden met verschillende temperaturen.

"In zo'n toestand het deeltje beweegt eigenlijk van het warme naar het koude uiteinde. Verrassend genoeg, Hoewel, de stuwkracht die erop wordt uitgeoefend, hangt alleen af ​​van de thermische gradiënt en niet van de plaatlengte, " zeggen de onderzoekers. Dus, het is aangetoond dat de afstand tussen de twee uiteinden van het membraan geen invloed heeft op de kracht die op het gouden cluster inwerkt - deze kracht blijft constant tot en met een plaatlengte van 100 nanometer.

"We hebben deze eigenaardige thermoforese ballistisch genoemd, om het te onderscheiden van het diffuse, die van nature geldt in de macroscopische wereld. Met behulp van een eenvoudige metafoor, stel je de twee uiteinden van de grafeenplaat voor als de boven- en onderkant van een glijbaan op de speelplaats, en het temperatuurverschil als hoogteverschil. In de macroscopische wereld die we in het dagelijks leven ervaren, hoe dichter de uiteinden van de dia zijn, hoe sneller de val van het object zal zijn. In de nanowereld volgens onze simulaties, dit is niet wat er gebeurt. Op deze schaal, kracht en valsnelheid zijn alleen afhankelijk van de temperatuurgradiënt. Maar niet op de afstand... We hebben ontdekt dat de kracht die het deeltje ervaart het gevolg is van verticale thermische bewegingen, bekend als flexurale fononen, die bijzonder breed en zacht zijn in een grafeenmembraan. De flux van de buigfononen stroomt van warm naar koud zonder kracht te verliezen en het object over het oppervlak te duwen, ’ schrijven de wetenschappers.

Hoe kunnen zulke verticale thermische golven een horizontale duw geven aan de gouden cluster? "Onze studie toont aan dat een nauwkeurig anharmonisch mechanisme een cruciale rol speelt in grafeen en in andere tweedimensionale flexibele membranen. Dit mechanisme geeft flexurale fononen een mechanisch momentum, die ze meestal niet hebben. Doen alsof ze een massa dragen, fononen dragen een deel van hun momentum over aan het gouddeeltje, het aanzetten tot bewegen... Het is precies als een tafelkleed op een tafel - een golf in het midden (de buigzame fononen), wat betekent een hogere doekdichtheid in het midden, dwingt de extremen om samen te trekken (de longitudinale fononen, in het geval van grafeen). Het afgezette deeltje is alleen gevoelig voor de golving, die het naar voren duwt."

De auteurs concluderen, "Toen dit project begon, we hadden niet verwacht dat we zo'n verscheidenheid aan verschijnselen zouden kunnen waarnemen, het was een puur theoretische studie. onze resultaten, Hoewel, de weg vrijmaken voor toekomstige experimenten, als een afstandsonafhankelijke mechanische kracht zou wel eens praktische toepassingen kunnen hebben."