Figura 1. Método de medición de nanomecánica microscópica (izquierda). Ilustración esquemática de la técnica. La rigidez de los nanomateriales como las cadenas atómicas de platino (Pt) se puede medir utilizando un resonador de extensión de longitud (LER) hecho con un cristal de cuarzo. La estructura atómica de la cadena se puede observar utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM). Encontramos que la fuerza del enlace atómico en las cadenas monoatómicas de Pt es de 25 N / m, que es superior al valor global (20 N / m). (derecha) Imágenes TEM experimentales y simuladas de una cadena de Pt monoatómica y evolución temporal de su conductancia eléctrica y rigidez durante el estiramiento. La tensión máxima fue del 24% en promedio.
Materiales de baja dimensión, como cadenas monoatómicas 1D, exhiben propiedades exóticas que podrían encontrar aplicaciones interesantes. Sin embargo, Los enlaces de un solo átomo y sus características mecánicas son difíciles de estudiar. En un estudio reciente, científicos de JAIST, Japón, muestre un método novedoso para obtener imágenes de cadenas de platino monoatómicas simultáneamente con un microscopio electrónico de transmisión mientras se mide su fuerza de unión y conductancia durante el estiramiento mecánico. Esta técnica ayudará a responder muchas preguntas en los campos de la nanomecánica y la ciencia de superficies.
Hoy dia, muchos campos de materiales bien estudiados, como la electrónica y la catálisis, están cerca de alcanzar sus límites prácticos. Para mejorar aún más la tecnología moderna y superar a los dispositivos de última generación, los investigadores que buscan nuevos materiales funcionales tienen que traspasar los límites y explorar casos más extremos. Un claro ejemplo de ello es el estudio de materiales de baja dimensión, tales como capas monoatómicas (materiales 2D) y cadenas monoatómicas (materiales 1D).
Se ha demostrado una y otra vez que los materiales de baja dimensión exhiben propiedades exóticas que están ausentes en sus contrapartes de volumen 3D. Por ejemplo, Las cadenas monoatómicas de metales como el oro y el platino (Pt) pueden exhibir la contribución de ciertos fenómenos cuánticos, como el orden magnético o el transporte térmico, de formas que puedan encontrar aplicaciones prácticas. Sin embargo, es muy difícil observar experimentalmente lo que sucede en cadenas monoatómicas compuestas por cinco o menos átomos, y las propiedades mecánicas de los enlaces de un solo átomo siguen siendo esquivas.
Para abordar este problema, un grupo de investigación dirigido por el profesor Yoshifumi Oshima del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), Japón, es pionero en una técnica novedosa y prometedora para medir la fuerza de los enlaces atómicos individuales. Su último estudio, que fue publicado en Nano letras y mostró su estrategia, investigadores involucrados de JAIST (Dr. Zhang, Dr. Ishizuka, Prof. Tomitori, Prof. Maezono y Prof. Hongo), así como el Prof. Arai de la Universidad de Kanazawa y el Prof. Tosatti de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) y el Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica (ICTP).
Esta nueva técnica, que Oshima denominó "método de medición de nanomecánica microscópica, "combina la microscopía electrónica de transmisión (TEM) con un resonador de extensión de longitud de cuarzo (LER). TEM es una técnica de imagen ampliamente utilizada con una resolución espacial increíblemente alta, suficiente para distinguir átomos individuales, mientras que el LER es un dispositivo que puede oscilar a una velocidad increíble pequeñas amplitudes de unas diez billonésimas de metro y sirve como sensor de fuerza.
Los investigadores idearon una configuración experimental en la que una pequeña unión Pt se estiró hasta su punto de ruptura absoluto, es decir, cuando las dos piezas de Pt estaban unidas por una cadena monoatómica de dos a cinco átomos. Al alinear cuidadosamente las piezas en el TEM, observaron la formación y rotura de las cadenas de Pt monoatómicas en tiempo real. Es más, utilizando el LER de cuarzo, midieron la conductancia a lo largo de la cadena y su rigidez, a partir del cual se calculó con éxito la fuerza de los enlaces Pt individuales. "Encontramos que la fuerza de unión de 25 N / m en las cadenas de Pt monoatómicas es notablemente alta, especialmente en comparación con los 20 N / m que se encuentran normalmente en los cristales de Pt a granel, "comenta Zhang". Además, estos enlaces de un solo átomo podrían estirarse aproximadamente el 24% de su distancia regular, en marcado contraste con el 5% de que los enlaces entre átomos de Pt en masa se pueden estirar, " él añade.
Los resultados del estudio muestran el potencial de esta nueva técnica para sondear enlaces de cadenas monoatómicas, lo que podría conducir a una mejor comprensión de las interfaces o superficies de materiales de baja dimensión. "Nuestro método podría contribuir en gran medida al diseño de materiales y catalizadores avanzados, así como arrojar luz sobre los fenómenos a nanoescala en términos de nanomecánica de superficie o interfaz". "destaca Oshima. A su vez, materiales más sofisticados y una mejor comprensión de sus propiedades superficiales indudablemente harán avanzar los campos de la electrónica, química, y nanotecnología, allanando el camino hacia diseños innovadores y, con suerte, sostenibles.
Es muy probable que la expresión "colgando de un hilo" pronto adquiera un significado más positivo en la ciencia de los nanomateriales.
