Miniaturisatie ligt aan de basis van talloze technologische ontwikkelingen. Het valt niet te ontkennen dat naarmate apparaten en hun bouwstenen kleiner worden, we erin slagen nieuwe functionaliteiten te ontgrendelen en ongekende toepassingen te bedenken. Nu steeds meer wetenschappers zich verdiepen in materialen met structuren op atomaire schaal, worden de hiaten in ons huidige begrip van de fysica van nanomaterialen echter steeds prominenter.

Het oppervlak van het nanomateriaal vertegenwoordigt bijvoorbeeld zo'n kennishiaat. Dit komt omdat de invloed van oppervlaktekwantumeffecten veel duidelijker wordt wanneer de oppervlakte-tot-volumeverhouding van een materiaal hoog is. In nano-elektromechanische systemen (NEMS), een actueel onderwerp in onderzoek, verschillen de fysieke eigenschappen van de nanomaterialen sterk van hun bulk-tegenhangers wanneer hun grootte wordt teruggebracht tot een paar atomen. Een goed begrip van de mechanische eigenschappen van nanodraden en nanocontacten - integrale componenten van NEMS - is essentieel voor het bevorderen van deze technologie. Maar het meten ervan bleek een uitdagende taak.

Tegen deze achtergrond bereikte een onderzoeksteam uit Japan onlangs een ongekende prestatie toen ze erin slaagden de elasticiteitsmodulus van gouden nanocontacten tot op enkele atomen nauwkeurig te meten. De studie, gepubliceerd in Physical Review Letters , werd geleid door Prof. Yoshifumi Oshima van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). De rest van het team bestond uit postdoctoraal onderzoeker Jiaqi Zhang en professor Masahiko Tomitori van JAIST, en professor Toyoko Arai van Kanazawa University.

Om de gouden nanocontacten te observeren terwijl ze mechanisch werden uitgerekt, gebruikten de onderzoekers transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) in ultrahoog vacuüm. Dit was essentieel om ervoor te zorgen dat het oppervlak van de nanocontacten perfect schoon bleef tijdens de metingen. Ondertussen, om de Young's modulus (een maat voor stijfheid) van de nanocontacten nauwkeurig te meten, nam het team zijn toevlucht tot een innovatieve techniek die ze eerder hadden ontwikkeld. Ze plaatsten een kwartslengteverlengingsresonator (LER) in een TEM-houder en bevestigden een kant van het nanocontact eraan. In hun opstelling veranderde de resonantiefrequentie afhankelijk van de "equivalente veerconstante" van het gouden nanocontact, die gerelateerd is aan de Young's modulus van het materiaal. "Met onze aanpak, die we de 'nanomechanica-meetmethode' noemden, kunnen we de equivalente veerconstante van een nanomateriaal nauwkeurig meten, terwijl we het tegelijkertijd observeren met behulp van TEM en de elektrische geleidbaarheid ervan meten", legt prof. Oshima uit.

Met behulp van deze strategie experimenteerden de onderzoekers met gouden nanocontacten die ze geleidelijk uitrekten zonder te breken. Ze observeerden hoe individuele atomen zichzelf herschikten in nieuwe lagen terwijl elk nanocontact werd uitgerekt, en berekenden hoe de Young's modulus veranderde afhankelijk van de grootte. Terwijl de Young's modulus van de binnenkant van de nanocontacten gelijk was aan die van bulk goud (90 GPa), bleek die van het oppervlak van de nanocontacten slechts 22 GPa te zijn.

Met deze kennis toonde het team aan dat de algehele sterkte van gouden nanocontacten wordt bepaald door de zachtheid van hun buitenste oppervlaktelaag. "Onze bevindingen verduidelijken waarom de sterkte van een nanomateriaal verschilt van die van bulkkristallen, afhankelijk van de grootte, en onze aanpak stelt ons in staat om de Young's modulus van elk type goud op nanoschaal te schatten", merkt prof. Oshima op. "Onze resultaten bieden met name geschikte richtlijnen voor het ontwerp en de ontwikkeling van nanodraden en nanosheets voor NEMS. Dit zou deuren kunnen openen naar veelbelovende druk-, gas- en geluidssensoren, naast andere toepassingen", voegt hij eraan toe.

Afgezien van NEMS verwacht het team dat hun resultaten, samen met hun meetmethode, mogelijke implicaties kunnen hebben voor de chemie, aangezien chemische reacties niet alleen afhangen van de structuur of de elektronische toestand van de katalysator, maar ook van trillingen op atomaire schaal op het oppervlak. Aangezien deze atomaire trillingen verband houden met de oppervlaktesterkte van het materiaal, is het mogelijk dat de voorgestelde methodologie ons zou kunnen helpen nieuwe manieren te vinden om chemische reacties te beheersen. + Verder verkennen

Aan een zijden draadje hangen:beeldvorming en sondeerketens van enkele atomen