Je moet goed kijken, maar de heuvels leven met de kracht van van der Waals.

Wetenschappers van Rice University ontdekten dat de alomtegenwoordige "zwakke" kracht van de natuur voldoende is om rigide nanosheets te laten inspringen, uitbreiding van hun potentieel voor gebruik in optica of katalytische systemen op nanoschaal.

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 nano-engineering. 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 promovendus Sarah Rehn leidden het onderzoek in het tijdschrift van de American Chemical Society Nano-brieven.

Van der Waals is een zwakke kracht die ervoor zorgt dat neutrale moleculen elkaar kunnen aantrekken door willekeurig fluctuerende dipolen, afhankelijk van de afstand. hoewel klein, de effecten ervan zijn te zien in de macrowereld, zoals wanneer gekko's tegen muren oplopen.

"Van der Waals-krachten zijn overal en, eigenlijk, op nanoschaal is alles plakkerig, ' zei Jones. 'Als je een grote, plat deeltje op een grote, vlak oppervlak, er is veel contact, en het is genoeg om een ​​deeltje dat echt dun en flexibel is permanent te vervormen."

In de nieuwe studie het Rice-team besloot om te kijken of de kracht kon worden gebruikt om 8 nanometer dikke vellen nodulair zilver te manipuleren. Nadat een wiskundig model hen had laten zien dat het mogelijk was, ze plaatsten 15 nanometer brede ijzeroxide nanobolletjes op een oppervlak en strooiden er prismavormige nanosheets overheen.

Zonder enige andere kracht uit te oefenen, ze zagen door een transmissie-elektronenmicroscoop dat de nanosheets permanente bobbels kregen waar die voorheen niet bestonden, precies op de bollen. Zoals gemeten, de vervormingen waren 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 atomaire rooster van het zilver te beïnvloeden. Ze toonden ook aan dat hetzelfde effect zou optreden in nanosheets van siliciumdioxide en cadmiumselenide, en misschien andere verbindingen.

"We probeerden heel dun te maken, grote zilveren nanoplaten en toen we begonnen met het maken van foto's, we zagen deze vreemd, zesvoudige spanningspatronen, 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 klein balletje smurrie was waar het bord overheen was gedrapeerd, de spanning creëren, ' zei hij. 'We dachten niet dat iemand dat had onderzocht, dus besloten we een kijkje te gaan nemen.

"Het komt erop neer dat als je een deeltje heel dun maakt, het wordt echt flexibel, zelfs als het een stijf metaal is, ' zei Jones.

Bij verdere experimenten, de onderzoekers zagen dat nanobolletjes konden worden gebruikt om de vorm van de vervorming te controleren, van enkele richels wanneer twee bollen dichtbij zijn, om vormen of geïsoleerde hobbels te zadelen wanneer de bollen verder uit elkaar staan.

Ze stelden vast dat platen van minder dan ongeveer 10 nanometer dik en met aspectverhoudingen van ongeveer 100 het meest vatbaar zijn voor vervorming.

De onderzoekers merkten op dat hun techniek "een nieuwe klasse van kromlijnige structuren creëert op basis van substraattopografie" die "moeilijk lithografisch te genereren zou zijn". Dat opent nieuwe mogelijkheden voor elektromagnetische apparaten die vooral relevant zijn voor nanofotonisch onderzoek.

Door het zilverrooster te persen, wordt het inerte metaal ook een mogelijke katalysator door defecten te creëren waar chemische reacties kunnen plaatsvinden.

"Dit wordt spannend, want nu, de meeste mensen maken dit soort metamaterialen door middel van lithografie, " zei Jones. "Dat is echt een krachtig hulpmiddel, maar als je dat eenmaal hebt gebruikt om je metaal te modelleren, je kunt het nooit veranderen.

"Nu hebben we de mogelijkheid, misschien ooit, om een ​​materiaal te bouwen dat één set eigenschappen heeft en het dan te veranderen door het te vervormen, "zei hij. "Omdat de krachten die daarvoor nodig zijn zo klein zijn, we hopen een manier te vinden om tussen de twee te schakelen."