Laagdimensionale materialen, zoals 1D mono-atomaire ketens, exotische eigenschappen vertonen die interessante toepassingen kunnen vinden. Echter, enkelatoombindingen en hun mechanische eigenschappen zijn moeilijk te bestuderen. In een recente studie, wetenschappers van JAIST, Japan, demonstreren een nieuwe methode om monoatomaire platinaketens gelijktijdig af te beelden met een transmissie-elektronenmicroscoop terwijl hun bindingssterkte en geleidbaarheid worden gemeten tijdens mechanisch rekken. Deze techniek zal helpen bij het beantwoorden van veel vragen op het gebied van nanomechanica en oppervlaktewetenschap.

Vandaag, veel goed bestudeerde materiaalgebieden zoals elektronica en katalyse naderen hun praktische limieten. Om de moderne technologie verder te verbeteren en de modernste apparaten te overtreffen, onderzoekers die op zoek zijn naar nieuwe functionele materialen moeten de grenzen verleggen en extremere gevallen onderzoeken. Een duidelijk voorbeeld hiervan is de studie van laagdimensionale materialen, zoals mono-atomaire lagen (2D-materialen) en mono-atomaire ketens (1D-materialen).

Het is keer op keer bewezen dat laagdimensionale materialen exotische eigenschappen vertonen die afwezig zijn in hun 3D-bulk tegenhangers. Bijvoorbeeld, monoatomaire ketens van metalen zoals goud en platina (Pt) kunnen de bijdrage van bepaalde kwantumverschijnselen vertonen, zoals magnetische orde of thermisch transport, op manieren die praktische toepassingen kunnen vinden. Echter, het is erg moeilijk om experimenteel te observeren wat er gebeurt in mono-atomaire ketens bestaande uit vijf of minder atomen, en de mechanische eigenschappen van bindingen met één atoom blijven ongrijpbaar.

Om dit probleem aan te pakken, een onderzoeksgroep onder leiding van professor Yoshifumi Oshima van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, pioniert met een nieuwe en veelbelovende techniek om de sterkte van individuele atoombindingen te meten. Hun laatste onderzoek, die werd gepubliceerd in Nano-letters en toonden hun strategie, betrokken onderzoekers van JAIST (Dr. Zhang, Dr. Ishizuka, Prof. Tomitori, prof. Maezono en prof. Hongo), evenals Prof. Arai van Kanazawa University en Prof. Tosatti van de International School for Advanced Studies (SISSA) en The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP).

Deze nieuwe techniek, die Oshima de "microscopische meetmethode voor nanomechanica noemde, " combineert transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) met een kwartslengteverlengingsresonator (LER). TEM is een veelgebruikte beeldvormingstechniek met een ongelooflijk hoge ruimtelijke resolutie - genoeg om individuele atomen te onderscheiden - terwijl de LER een apparaat is dat ongelooflijk kan oscilleren kleine amplitudes van enkele tien biljoensten van een meter en dient als krachtsensor.

De onderzoekers bedachten een experimentele opstelling waarin een kleine Pt-junctie werd uitgerekt tot het absolute breekpunt, dat is, toen de twee stukken Pt verbonden waren door een monoatomaire keten van twee tot vijf atomen. Door de stukken in de TEM zorgvuldig uit te lijnen, ze observeerden de vorming en het breken van de monoatomaire Pt-ketens in realtime. Bovendien, met behulp van de kwarts LER, ze maten de geleidbaarheid over de ketting en de stijfheid, waaruit de sterkte van individuele Pt-bindingen met succes werd berekend. "We vonden de bindingssterkte van 25 N/m in de mono-atomaire Pt-ketens opmerkelijk hoog, vooral vergeleken met de 20 N/m die normaal wordt aangetroffen in bulk Pt-kristallen, " merkt Zhang op. "Bovendien, deze enkelatoombindingen kunnen ongeveer 24% van hun normale afstand worden uitgerekt, in schril contrast met de 5% dat bindingen tussen Pt-atomen in bulk kunnen worden uitgerekt, " hij voegt toe.

De resultaten van de studie demonstreren het potentieel van deze nieuwe techniek om monoatomaire ketenbindingen te onderzoeken, wat zou kunnen leiden tot een beter begrip van de interfaces of oppervlakken van laagdimensionale materialen. "Onze methode zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het ontwerp van geavanceerde materialen en katalysatoren en ook licht werpen op fenomenen op nanoschaal in termen van oppervlakte- of interface-nanomechanica, " benadrukt Oshima. Op zijn beurt, meer geavanceerde materialen en een beter begrip van hun oppervlakte-eigenschappen zullen ongetwijfeld de elektronica, scheikunde, en nanotechnologie, de weg vrijmaken voor innovatieve en hopelijk duurzame ontwerpen.

Het is zeer waarschijnlijk dat de uitdrukking "aan een zijden draadje hangen" binnenkort een positievere betekenis krijgt in de nanomaterialenwetenschap.