Una imagen de microscopio electrónico de transmisión a la izquierda y una versión de mapa de color a la derecha resaltan las deformaciones en nanohojas de plata colocadas sobre nanoesferas de óxido de hierro. Los científicos de la Universidad de Rice determinaron que las fuerzas de van der Waals entre las esferas y las láminas son suficientes para distorsionar la plata, defectos de apertura en sus redes cristalinas que podrían utilizarse en óptica o catálisis. Crédito:The Jones Lab / Rice University
Tienes que mirar de cerca pero las colinas están vivas con la fuerza de van der Waals.
Los científicos de la Universidad de Rice descubrieron que la omnipresente fuerza "débil" de la naturaleza es suficiente para sangrar las nanohojas rígidas, ampliando su potencial para su uso en ópticas a nanoescala o sistemas catalíticos.
Cambiar la forma de las partículas a nanoescala cambia sus propiedades electromagnéticas, dijo Matt Jones, el profesor asistente de química Norman y Gene Hackerman y profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. Eso hace que el fenómeno valga la pena estudiar más a fondo.
"A la gente le importa la forma de las partículas, porque la forma cambia sus propiedades ópticas, ", Dijo Jones." Esta es una forma totalmente nueva de cambiar la forma de una partícula ".
Jones y la estudiante de posgrado Sarah Rehn dirigieron el estudio en la American Chemical Society Nano Letras.
Van der Waals es una fuerza débil que permite que las moléculas neutras se atraigan entre sí a través de dipolos que fluctúan aleatoriamente, dependiendo de la distancia. Aunque pequeño, sus efectos se pueden ver en el mundo macro, como cuando los geckos suben por las paredes.
"Las fuerzas de Van der Waals están en todas partes y, esencialmente, a nanoescala todo es pegajoso, "Dijo Jones." Cuando pones un gran, partícula plana en una gran, superficie plana, hay mucho contacto, y es suficiente para deformar permanentemente una partícula que es realmente delgada y flexible ".
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión de científicos de la Universidad de Rice muestra una nanoplaca de plata deformada por una partícula, formando contornos de tensión en forma de flor en el material que indican un bulto. Cambiar la forma del material cambia sus propiedades electromagnéticas, haciéndolo adecuado para catálisis o aplicaciones ópticas. Crédito:The Jones Lab / Rice University
En el nuevo estudio, el equipo de Rice decidió ver si la fuerza podía usarse para manipular láminas de plata dúctil de 8 nanómetros de espesor. Después de que un modelo matemático les mostró que era posible, colocaron nanoesferas de óxido de hierro de 15 nanómetros de ancho en una superficie y rociaron nanohojas en forma de prisma sobre ellas.
Sin aplicar ninguna otra fuerza, vieron a través de un microscopio electrónico de transmisión que las nanohojas adquirían protuberancias permanentes donde antes no existían, justo encima de las esferas. Medido, las distorsiones eran aproximadamente 10 veces mayores que el ancho de las esferas.
Las colinas no eran muy altas pero las simulaciones confirmaron que la atracción de van der Waals entre la hoja y el sustrato que rodea las esferas era suficiente para influir en la plasticidad de la red atómica cristalina de la plata. También demostraron que el mismo efecto ocurriría en nanohojas de dióxido de silicio y seleniuro de cadmio, y quizás otros compuestos.
"Estábamos tratando de adelgazar mucho, grandes nanoplacas de plata y cuando comenzamos a tomar imágenes, vimos estos extraños, patrones de deformación de seis veces, como flores, "dijo Jones, quien obtuvo una beca Packard de varios años en 2018 para desarrollar técnicas avanzadas de microscopía.
"No tenía ningún sentido, pero al final nos dimos cuenta de que era una pequeña bola de mugre sobre la que se cubría el plato, creando la tensión, ", dijo." No pensamos que nadie hubiera investigado eso, así que decidimos echarle un vistazo.
"Todo se reduce a que cuando haces una partícula muy delgada, se vuelve realmente flexible, incluso si es un metal rígido, "Dijo Jones.
Los científicos de la Universidad de Rice encontraron lo omnipresente, La fuerza "débil" de van der Waals fue suficiente para sangrar una nanohoja de plata rígida. El fenómeno sugiere posibles aplicaciones en ópticas a nanoescala o sistemas catalíticos. Crédito:The Jones Lab / Rice University
En experimentos posteriores, los investigadores vieron que las nanoesferas podrían usarse para controlar la forma de la deformación, de crestas simples cuando dos esferas están cerca, para ensillar formas o protuberancias aisladas cuando las esferas están más separadas.
Determinaron que las láminas de menos de aproximadamente 10 nanómetros de espesor y con relaciones de aspecto de aproximadamente 100 son las más susceptibles a la deformación.
Los investigadores señalaron que su técnica crea "una nueva clase de estructuras curvilíneas basadas en la topografía del sustrato" que "sería difícil de generar litográficamente". Eso abre nuevas posibilidades para los dispositivos electromagnéticos que son especialmente relevantes para la investigación nanofotónica.
La tensión de la red de plata también convierte al metal inerte en un posible catalizador al crear defectos donde pueden ocurrir reacciones químicas.
"Esto se vuelve emocionante porque ahora, la mayoría de las personas fabrican este tipo de metamateriales a través de la litografía, ", Dijo Jones." Es una herramienta realmente poderosa, pero una vez que lo hayas usado para modelar tu metal, nunca podrás cambiarlo.
"Ahora tenemos la opción, quizás algún día, para construir un material que tiene un conjunto de propiedades y luego cambiarlo deformándolo, ", dijo." Debido a que las fuerzas necesarias para hacerlo son tan pequeñas, esperamos encontrar una manera de alternar entre los dos ".
