Figura 1. Muestras y configuración experimental. a) Estructura cristalina de α- y β-In2Se3. [20, 31] Los recuadros sólidos marcan las celdas unitarias de α- In2Se3 (2H) y β-In2Se3 (3R). b) Espectros Raman para copos de α- y β-In2Se3; recuadros:imágenes ópticas de las escamas. c) Diagrama esquemático de la configuración de la bomba-sonda para medir la velocidad del sonido:PD:fotodetector; SHG:segundo generador de armónicos; f1 y f2 son tasas de repetición de pulsos de láseres de bomba y sonda, respectivamente. Aquí, f1, f2 ≈ 80 MHz y una pequeña diferencia f1 - f2 =800 Hz da como resultado un escaneo temporal lento de los pulsos de la sonda en relación con los pulsos de la bomba, proporcionando una resolución temporal ≈1 ps. Las flechas de puntos muestran la dirección de la luz. d) El fragmento ampliado del espacio muestral en los experimentos de PU con una bomba de 400 nm y una sonda de 800 nm. Crédito:DOI:10.1002 / adfm.202106206
Los investigadores han desarrollado un nuevo método para medir la fuerza y los enlaces atómicos a nanoescala que revela que la velocidad del sonido depende de la estructura por la que viaja.
Los científicos de la Universidad de Nottingham y la Universidad de Loughborough utilizaron un método de medición llamado ultrasonidos de picosegundos, similar al ultrasonido médico, para medir la fuerza de la unión del átomo dentro del material. Su investigación ha sido publicada en Materiales funcionales avanzados .
La fuerza es fundamental para todo en la vida diaria. Desde una fuerza gravitacional a gran escala que subraya el funcionamiento de todo el universo, a tan pequeña escala como la interacción electrón-electrón que puede ser espeluznante. La fuerza es muy difícil de medir, especialmente cuando las fuerzas son demasiado grandes o demasiado pequeñas. este es especialmente el caso cuando entramos en el nanomundo, por ejemplo, en los llamados materiales de van der Waals bidimensionales (2D-vdW) donde los objetos tienen escalas de longitud en el rango de 10 -9 metros.
Estos materiales se denominan materiales 2D porque su geometría, Las propiedades físicas y químicas están confinadas en dos dimensiones dentro de una delgada hoja de material. Dentro de la hoja, los átomos están estrechamente unidos entre sí a través de fuertes enlaces covalentes o iónicos, mientras que las capas mismas se mantienen unidas por una fuerza de van der Waals débil. La naturaleza completamente diferente y la coexistencia de estas fuerzas de fuerza enormemente diferentes permiten a los científicos "pelar" el material de cristales extraídos voluminosos para perfeccionar capas atómicas individuales y descubrir fenómenos asombrosos, incluida la superconductividad a temperatura ambiente. Dibujar en una hoja de papel con lápices, por ejemplo, es de hecho un experimento científico para hacer capas atómicas únicas de átomos de carbono (grafeno), algo que todos hemos estado haciendo durante siglos sin darnos cuenta. A pesar de la intensa investigación de los materiales vdW por parte de muchos grupos de investigación en todo el mundo, apenas existen técnicas experimentales para medir la fuerza de los enlaces atómicos y las fuerzas vdW sin destruir los materiales.
Wenjing Yan fue uno de los investigadores principales de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Nottingham. explica:"Usamos ultrasonidos de picosegundos para medir tanto los enlaces covalentes fuertes como las fuerzas vdW débiles sin dañar el material. La técnica es similar a la ecografía médica pero con una frecuencia mucho más alta (terahercios) y por lo tanto no invasiva. El estudio brilla 120 femtosegundos (0,00000000000012 segundos) "bombear" pulsos láser en escamas de materiales 2D, generando fonones que son ondas sonoras cuantificadas. A medida que los fonones viajan a través del material, sienten e interactúan con los átomos y los enlaces dentro del material. Las propiedades de estos fonones, que reflejan la fuerza de los enlaces atómicos, luego se mide mediante un segundo pulso láser de "sonda". Descubrimos que el sonido viaja a velocidades muy diferentes en diferentes fases (estructuras) de la misma sustancia ".
Alexander Balanov y Mark Greenaway, de la Universidad de Loughborough, explican:"Mientras viajan por el material vdW, la onda acústica ultrasónica no destruye el cristal, solo lo deforma levemente, lo que significa que la estructura se puede considerar como un sistema de "resortes". Al conocer la velocidad del sonido a partir de las mediciones y cómo estos resortes responden a la deformación, podemos extraer la fuerza relativa de las fuerzas covalentes entre los átomos y las fuerzas vdW entre las capas. Si aplicamos la llamada teoría de la función de densidad con la ayuda de computadoras de alto rendimiento, podemos estimar numéricamente estas fuerzas para diferentes configuraciones de apilamiento y sugerir cómo ajustar el elástico, propiedades eléctricas e incluso químicas de diferentes polimorfos de materiales vdW ".
"¡Se puede hacer una buena analogía con nuestros hallazgos si se piensa en panqueques y pudín de Yorkshire! Ambos alimentos están hechos de la misma mezcla:huevo, harina y leche, pero sus diferentes procesos de cocción les confieren estructuras y propiedades diferentes. Aunque esto es obvio en el mundo macroscópico, encontrar tales diferencias en materiales nanoestructurados debido a diferencias sutiles en las fuerzas vdW es sorprendente y emocionante, ", dice Wenjing Yan." Esta investigación abre posibilidades para ajustar las fuerzas vdW al apilar materiales de diferentes maneras y al mismo tiempo monitorear de forma no destructiva las propiedades de estas fuerzas y su correlación con las propiedades físicas y químicas de la estructura multicapa. Al hacer esto, seremos capaces de diseñar el material para un propósito como construir bloques de Lego como lo propusieron los premios Nobel Andre Geim y Konstantin Novoselov ".
