La miniaturización se encuentra en el corazón de innumerables avances tecnológicos. Es innegable que a medida que los dispositivos y sus componentes se hacen más pequeños, logramos desbloquear nuevas funcionalidades y crear aplicaciones sin precedentes. Sin embargo, con más y más científicos profundizando en materiales con estructuras a escala atómica, las brechas en nuestra comprensión actual de la física de los nanomateriales se están volviendo más prominentes.

Por ejemplo, la superficie del nanomaterial representa uno de esos vacíos de conocimiento. Esto se debe a que la influencia de los efectos cuánticos superficiales se vuelve mucho más evidente cuando la relación superficie-volumen de un material es alta. En los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), un tema candente actual en la investigación, las propiedades físicas de los nanomateriales difieren mucho de sus contrapartes a granel cuando su tamaño se reduce a unos pocos átomos. Una sólida comprensión de las propiedades mecánicas de los nanocables y los nanocontactos (componentes integrales de NEMS) es esencial para el avance de esta tecnología. Pero medirlos ha demostrado ser una tarea desafiante.

En este contexto, un equipo de investigación de Japón logró recientemente una hazaña sin precedentes cuando logró medir con precisión el módulo elástico de los nanocontactos de oro estirados hasta unos pocos átomos. El estudio, publicado en Physical Review Letters , fue dirigido por el Prof. Yoshifumi Oshima del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST). El resto del equipo incluía al investigador posdoctoral Jiaqi Zhang y al profesor Masahiko Tomitori de JAIST, y al profesor Toyoko Arai de la Universidad de Kanazawa.

Para observar los nanocontactos de oro a medida que se estiraban mecánicamente, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión (TEM) en vacío ultraalto. Esto fue fundamental para garantizar que la superficie de los nanocontactos permaneciera perfectamente limpia durante las mediciones. Mientras tanto, para medir con precisión el módulo de Young (una medida de rigidez) de los nanocontactos, el equipo recurrió a una técnica innovadora que habían desarrollado previamente. Pusieron un resonador de extensión de longitud de cuarzo (LER) en un soporte TEM y le conectaron un lado del nanocontacto. En su configuración, la frecuencia de resonancia cambió según la "constante de resorte equivalente" del nanocontacto de oro, que está relacionada con el módulo de Young del material. "Con nuestro enfoque, al que llamamos 'método de medición nanomecánico', podemos medir con precisión la constante elástica equivalente de un nanomaterial mientras lo observamos simultáneamente mediante TEM y medimos su conductividad eléctrica", explica el profesor Oshima.

Usando esta estrategia, los investigadores experimentaron con nanocontactos de oro que fueron estirando progresivamente sin romperse. Observaron cómo los átomos individuales se reorganizaban en nuevas capas a medida que se estiraba cada nanocontacto y calcularon cómo cambiaba el módulo de Young según su tamaño. Mientras que el módulo de Young del interior de los nanocontactos era igual al del oro a granel (90 GPa), el de la superficie de los nanocontactos resultó ser de solo 22 GPa.

Con este conocimiento, el equipo demostró que la fuerza general de los nanocontactos de oro se rige por la suavidad de su capa superficial más externa. "Nuestros hallazgos aclaran por qué la fuerza de un nanomaterial difiere de la de los cristales a granel según su tamaño, y nuestro enfoque nos permite estimar el módulo de Young de cualquier tipo de oro nanométrico", comenta el profesor Oshima. "En particular, nuestros resultados brindan pautas adecuadas para el diseño y desarrollo de nanocables y nanohojas para NEMS. Esto podría abrir las puertas a sensores prometedores de presión, gas y sonido, entre otras aplicaciones", agrega.

Además de NEMS, el equipo espera que sus resultados, junto con su método de medición, puedan tener implicaciones potenciales para la química, ya que las reacciones químicas dependen no solo de la estructura o el estado electrónico del catalizador, sino también de las vibraciones a escala atómica en su superficie. Como estas vibraciones atómicas están relacionadas con la resistencia de la superficie del material, es posible que la metodología propuesta pueda ayudarnos a encontrar nuevas formas de controlar las reacciones químicas. + Explora más

Colgando de un hilo:imágenes y sondeo de cadenas de átomos individuales