(Phys.org) - Una nueva plataforma de investigación utiliza un láser para medir las propiedades "nanomecánicas" de estructuras diminutas sometidas a estrés y calentamiento. un enfoque que probablemente arroje conocimientos para mejorar los diseños de microelectrónica y baterías.

Esta nueva técnica, llamada espectroscopia Raman nanomecánica, revela información sobre cómo el calentamiento y la tensión superficial de las estructuras a microescala afectan sus propiedades mecánicas. Los investigadores han discutido los méritos de la influencia de la tensión superficial en las propiedades mecánicas durante décadas. Sin embargo, la espectroscopía nanomecánica Raman ha ofrecido la primera medición de este tipo, dijo Vikas Tomar, profesor asociado en la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de Purdue.

La tensión superficial es similar a la tensión superficial que permite que los pequeños insectos caminen sobre el agua, hace que las gotas de agua sean esféricas, y hace que la piel humana resista inicialmente la penetración de una aguja. En la escala relativamente grande de lo ordinario, máquinas de uso diario, la tensión superficial es insignificante, pero se vuelve fundamental para las micro y nanoestructuras, él dijo.

Los hallazgos recientes son potencialmente importantes porque las estructuras de silicio medidas en la escala de micrómetros y nanómetros forman componentes esenciales de los procesadores de semiconductores. sensores y una clase emergente de máquinas minúsculas llamadas sistemas microelectromecánicos.

"Se ha descubierto que el funcionamiento de estos dispositivos se ve muy afectado por su temperatura de funcionamiento, ", Dijo Tomar." Estos dispositivos densamente empaquetados generan un calor considerable durante la operación. Sin embargo, hasta ahora no hemos podido medir cómo el calentamiento y la tensión superficial contribuyen a las propiedades mecánicas ".

La información sobre la plataforma y los nuevos hallazgos de la investigación se detallaron en tres artículos publicados este año. El más reciente apareció el 15 de agosto en el Revista de física aplicada . Tomar ha dirigido la investigación con el ex estudiante de doctorado Ming Gan, que se graduó y ahora trabaja en la industria, y el actual estudiante de doctorado Yang Zhang.

En espectroscopía Raman, un láser interactúa con la celosía de cristal vibrante de los materiales, proporcionar información sobre la composición química de los materiales.

"Pero no hemos podido incorporar tensión o deformación in situ en esas firmas químicas, ", Dijo Tomar." Ahora hemos combinado mediciones nanomecánicas en espectroscopía Raman ".

Los investigadores utilizaron la técnica para estudiar voladizos de silicio a microescala, astillas diminutas en forma de trampolín de aproximadamente 7 micrones de grosor, o aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano, y 225 micrones de largo. Los voladizos se calentaron y tensaron simultáneamente. Las tensiones superficiales en las micro y nanoescalas se midieron por primera vez junto con el cambio de temperatura y la deformación de una estructura.

Los hallazgos muestran que calentar un voladizo de 25 a 100 grados Celsius mientras se aplica tensión a la estructura provoca un aumento dramático en la tasa de deformación, o deformación.

El calentamiento reduce las fuerzas de unión entre átomos en la superficie de las estructuras. La fuerza de unión más baja da como resultado un estado "relajado" de la superficie o de los átomos cercanos a la superficie que progresa a medida que aumenta la temperatura. provocando grietas y fallas en el dispositivo.

"La clave es poder medir las propiedades térmicas y mecánicas simultáneamente porque están interrelacionadas, y la tensión superficial influye en las propiedades mecánicas, ", Dijo Tomar.

Los hallazgos son potencialmente importantes para la medición de componentes en baterías para estudiar las tensiones, ya que se expanden y contraen constantemente durante los ciclos de carga y descarga. Los sensores ordinarios no pueden soportar las duras condiciones dentro de las baterías.

Sin embargo, porque la espectroscopia Raman utiliza un láser para realizar mediciones, no tiene que estar conectado a las baterías, haciendo posible un nuevo tipo de sensor eliminado de las duras condiciones dentro de las baterías.

"Si no necesita sensores a bordo, puede ir a entornos extremos, ", dijo." Puede aprender cómo están evolucionando las tensiones para que podamos diseñar mejores baterías ".

Dicha tecnología también podría ser importante para el desarrollo de materiales compuestos súper fuertes que imiten a los que se encuentran en algunos animales marinos que pueden sobrevivir en las condiciones extremas que se encuentran en los respiraderos hidrotermales del fondo del océano. Un obstáculo es superar las tensiones que se producen en las interfaces de diferentes capas dentro de los materiales compuestos.

"Estos materiales siempre se rompen en las interfaces, ", Dijo Tomar." Ahora podemos entender como el material se está deformando cómo se desarrollan las tensiones de la interfaz, y esto nos permitirá predecir cómo modificarlos ".