Las propiedades de los bordes de las nanocintas son importantes para sus aplicaciones en dispositivos electrónicos, sensores y catalizadores. Un grupo de científicos de Japón y China estudió la respuesta mecánica de nanocintas de disulfuro de molibdeno de una sola capa con bordes de sillón utilizando microscopía electrónica de transmisión in situ.
Demostraron que el módulo de Young de la nanocinta variaba inversamente con su ancho por debajo del ancho de 3 nm, lo que indica una mayor rigidez de unión para los bordes del sillón. Su trabajo, publicado en la revista Advanced Science , fue escrito en coautoría por el profesor asociado Kenta Hongo y el profesor Ryo Maezono de JAIST y el profesor Chunmeng Liu y el profesor Jiaqi Zhang de la Universidad de Zhengzhou, China.
Los sensores se han vuelto omnipresentes en el mundo moderno, con aplicaciones que van desde la detección de explosivos, la medición de picos fisiológicos de glucosa o cortisol de forma no invasiva hasta la estimación de niveles de gases de efecto invernadero en la atmósfera.
La principal tecnología necesaria para los sensores es un resonador mecánico. Tradicionalmente se han utilizado cristales de cuarzo para este fin debido a su alta rigidez y fácil disponibilidad. Sin embargo, esta tecnología ha dado paso recientemente a los nanomateriales avanzados. Uno de estos materiales prometedores es el disulfuro de molibdeno de pared simple (MoS2 ) nanocinta.
Caracterizar las propiedades físicas y químicas de los bordes de las nanocintas es crucial para sus aplicaciones en dispositivos electrónicos, sensores y catalizadores. Sin embargo, la respuesta mecánica del MoS2 Las nanocintas, que se espera que dependan de su estructura de borde, permanecen inexploradas, lo que dificulta su implementación práctica en resonadores delgados.
En este contexto, un grupo de científicos de Japón y China, dirigido por el profesor Yoshifumi Oshima del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), investigó las propiedades mecánicas, concretamente el módulo de Young, del MoS2
El profesor Oshima dice:"Hemos desarrollado el primer método de medición micromecánica del mundo para aclarar la relación entre la disposición atómica de los materiales a escala atómica y su resistencia mecánica mediante la incorporación de un resonador de extensión de longitud (LER) basado en cuarzo en un sistema de transmisión de electrones in situ". soporte para microscopía (TEM)."
Dado que la frecuencia de resonancia de un resonador de cuarzo cambia cuando detecta contacto con un material, la constante elástica equivalente del material puede estimarse con alta precisión mediante el cambio en esta frecuencia de resonancia. Además, es posible capturar imágenes TEM de alta resolución ya que la amplitud de vibración del LER necesaria para la medición es tan pequeña como 27 pm. En consecuencia, el novedoso método desarrollado por los investigadores logró superar las deficiencias de las técnicas convencionales, logrando mediciones de alta precisión.
Los investigadores sintetizaron por primera vez un MoS2 de una sola capa. nanocinta despegando la capa más externa del borde doblado de un MoS2 multicapa utilizando una punta de tungsteno. La nanocinta de una sola capa se apoyó entre la multicapa y la punta.
La imagen TEM de este MoS2 nanoribbon reveló que su borde tenía una estructura de sillón. "El ancho y la longitud de la nanocinta también se midieron a partir de la imagen, y la constante de resorte equivalente correspondiente se determinó a partir del cambio de frecuencia del LER para obtener el módulo de Young de esta nanocinta", dijo el profesor Chunmeng Liu.
Los investigadores descubrieron que el módulo de Young del MoS2 de una sola capa nanocintas con bordes de sillón dependía de su ancho. Si bien permaneció constante alrededor de 166 GPa para cintas más anchas, mostró una relación inversa con el ancho para cintas de menos de 3 nm de ancho, aumentando de 179 GPa a 215 GPa a medida que el ancho de la nanocinta disminuyó de 2,4 nm a 1,1 nm. Los investigadores atribuyeron esto a una mayor rigidez de unión en los bordes en comparación con la del interior.
Los cálculos de la teoría del funcional de densidad realizados por los investigadores para explicar su observación revelaron que los átomos de Mo se doblaron en el borde del sillón, lo que resultó en una transferencia de electrones a los átomos de S en ambos lados. Esto, a su vez, aumentó la atracción de Coulombic entre los dos átomos, mejorando la fuerza del borde.
Este estudio arroja luz importante sobre las propiedades mecánicas del MoS2 nanocintas, que podrían facilitar el diseño de resonadores mecánicos ultrafinos a nanoescala.
"Los nanosensores basados en estos resonadores se pueden integrar en teléfonos inteligentes y relojes, lo que permitirá a las personas controlar su entorno y comunicar el sentido del gusto y el olfato en forma de valores numéricos", concluye el profesor Jiaqi Zhang.
Más información: Chunmeng Liu et al, Unión más rígida del borde del sillón en nanocintas de disulfuro de molibdeno de una sola capa, Ciencia avanzada (2023). DOI:10.1002/adv.202303477
Información de la revista: Ciencia avanzada
Proporcionado por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón
