Figur 1. Prover och experimentuppställning. a) Kristallstruktur av α- och β-In2Se3.[20, 31] De fyllda rutorna markerar enhetscellerna för α-In2Se3 (2H) och β-In2Se3 (3R). b) Ramanspektra för a- och β-In2Se3-flingor; infällningar — optiska bilder av flingorna. c) Schematiskt diagram av pumpsondens uppställning för mätning av ljudhastigheten:PD—fotodetektor; SHG—andra övertonsgenerator; f1 och f2 är upprepningshastigheter för pulser från pump- och sondlasrar, respektive. Här, f1, f2 ≈ 80 MHz och en liten skillnad f1 – f2 =800 Hz resulterar i en långsam tidsmässig avsökning av sondpulserna i förhållande till pumppulserna, ger en tidsupplösning på ≈1 ps. De prickade pilarna visar ljusets riktning. d) Det zoomade fragmentet av provutrymmet i PU-experimenten med 400 nm pump och 800 nm sond. Kredit:DOI:10.1002/adfm.202106206
Forskare har utvecklat en ny metod för att mäta kraft och atombindningar på nanoskala som avslöjar att ljudets hastighet beror på strukturen det färdas genom.
Forskare från University of Nottingham och Loughborough University använde en mätmetod som kallas picosecond ultrasonics, liknande medicinsk ultraljud, för att mäta styrkan av atombindning i material. Deras forskning har publicerats i Avancerade funktionella material .
Kraft är grundläggande för allt i det dagliga livet. Från lika storskalig som gravitationskraft som understryker hela universums funktion, till lika småskalig som elektron-elektroninteraktion som kan vara hårresande. Kraft är mycket svårt att mäta speciellt när krafterna är för stora eller för små, detta är speciellt fallet när vi går in i nanovärlden, till exempel i de så kallade tvådimensionella van der Waals (2D-vdW) materialen där objekt har längdskalor i intervallet 10 -9 meter.
Dessa material kallas 2D-material eftersom deras geometriska, fysikaliska och kemiska egenskaper är begränsade i två dimensioner inom ett tunt materialark. Inom arket, atomer är tätt bundna till varandra genom starka kovalenta eller jonbindningar, medan själva lagren hålls samman av svag van der Waals kraft. Den helt olika naturen och samexistensen av dessa vitt skilda hållfasthetskrafter tillåter forskare att "skala" materialet från skrymmande minerade kristaller till perfekta enstaka atomlager och upptäcka fantastiska fenomen inklusive rumstemperatursupraledning. Rita på ett papper med till exempel pennor, är i själva verket ett vetenskapligt experiment för att göra enstaka atomlager av kolatomer (grafen), något vi alla har gjort i århundraden utan att inse. Trots intensiv undersökning av vdW-material av många forskargrupper runt om i världen, det finns knappt några experimentella tekniker för att mäta styrkan hos atombindningar och vdW-krafter utan att förstöra materialen.
Wenjing Yan var en av de ledande forskarna från School of Physics and Astronomy vid University of Nottingham, hon förklarar:"Vi använde picosecond-ultraljud för att mäta både de starka kovalenta bindningarna och svaga vdW-krafterna utan att skada materialet. Tekniken liknar medicinsk ultraljud men med en mycket högre frekvens (terahertz) och därmed icke-invasiv. Studien lyser 120 femtosekund (0,000000000000012 sekund) "pumpar" laserpulser på flingor av 2D-material, genererar fononer som är kvantiserade ljudvågor. När fononer färdas genom materialet, de känner och interagerar med atomerna och bindningarna i materialet. Egenskaperna hos dessa fononer, som återspeglar styrkan hos atombindningarna, mäts sedan med en andra "sond"-laserpuls. Vi fann att ljud färdas med väldigt olika hastigheter i olika faser (strukturer) av samma ämne."
Alexander Balanov och Mark Greenaway från Loughborough University expanderar:"Medan de reser genom vdW-materialet, den akustiska ultraljudsvågen förstör inte kristallen, bara lite deformerar den, vilket betyder att strukturen kan ses som ett system av "fjädrar". Genom att känna till ljudets hastighet från mätningar och hur dessa fjädrar svarar på deformationen, vi kan extrahera den relativa styrkan hos de kovalenta krafterna mellan atomerna och vdW-krafterna mellan lagren. Om vi tillämpar så kallad densitetsfunktionsteori med hjälp av högpresterande datorer kan vi numeriskt uppskatta dessa krafter för olika staplingskonfigurationer och föreslå hur man ställer in elastiken, elektriska och till och med kemiska egenskaper hos olika polymorfer av vdW-material."
"En bra liknelse för våra fynd kan göras genom att tänka på pannkaka och Yorkshirepudding! Båda livsmedel är gjorda av samma blandning:ägg, mjöl och mjölk, men deras olika tillagningsprocesser ger dem olika strukturer och egenskaper. Även om detta är uppenbart i den makroskopiska världen, att hitta sådana skillnader i nanostrukturerade material på grund av subtila skillnader i vdW-krafter är överraskande och spännande, " säger Wenjing Yan. "Denna forskning öppnar möjligheter att ställa in vdW-krafter genom att stapla material på olika sätt och samtidigt oförstörande övervaka egenskaperna hos dessa krafter och deras korrelation med de fysiska och kemiska egenskaperna hos flerskiktsstrukturen. Genom att göra det här, vi kommer att kunna designa materialet för ändamål precis som att bygga legoklossar som föreslagits av Nobelpristagarna Andre Geim och Konstantin Novoselov."
