Ett överraskande fenomen har hittats i metallnanopartiklar:De uppträder, från utsidan, vara vätskedroppar, vinglar och ändrar lätt form, medan deras interiörer behåller en perfekt stabil kristallkonfiguration.

Forskargruppen bakom fyndet, ledd av MIT-professor Ju Li, säger att arbetet kan ha viktiga konsekvenser för utformningen av komponenter inom nanoteknik, såsom metallkontakter för molekylära elektroniska kretsar.

Resultaten, publiceras i tidskriften Naturmaterial , kommer från en kombination av laboratorieanalys och datormodellering, av ett internationellt team som inkluderade forskare i Kina, Japan, och Pittsburgh, samt vid MIT.

Experimenten utfördes vid rumstemperatur, med partiklar av rent silver som är mindre än 10 nanometer i diameter - mindre än en tusendel av ett människohårs bredd. Men resultaten bör gälla många olika metaller, säger Li, senior författare till artikeln och BEA-professorn i kärnkraftsvetenskap och teknik.

Silver har en relativt hög smältpunkt - 962 grader Celsius, eller 1763 grader Fahrenheit - så observation av något vätskeliknande beteende i dess nanopartiklar var "ganska oväntat, " säger Li. Tips om det nya fenomenet hade setts i tidigare arbeten med tenn, som har en mycket lägre smältpunkt, han säger.

Användningen av nanopartiklar i applikationer som sträcker sig från elektronik till läkemedel är ett livligt forskningsområde; rent generellt, Li säger, dessa forskare "vill forma former, och de vill att dessa former ska vara stabila, i många fall under en period av år." Så upptäckten av dessa deformationer avslöjar en potentiellt allvarlig barriär för många sådana tillämpningar:Till exempel, om guld- eller silvernanoligament används i elektroniska kretsar, dessa deformationer kan snabbt orsaka att elektriska anslutningar misslyckas.

Endast huddjup

Forskarnas detaljerade avbildning med ett transmissionselektronmikroskop och atomistisk modellering avslöjade att medan utsidan av metallnanopartiklarna verkar röra sig som en vätska, endast de yttersta lagren – en eller två atomer tjocka – rör sig faktiskt vid varje given tidpunkt. När dessa yttre lager av atomer rör sig över ytan och återavsätts någon annanstans, de ger intrycket av mycket större rörelse – men inuti varje partikel, atomerna förblir perfekt i linje, som tegelstenar i en vägg.

"Inredningen är kristallin, så de enda rörliga atomerna är de första ett eller två monoskikten, " säger Li. "Överallt utom de två första lagren är kristallint."

Däremot om dropparna skulle smälta till flytande tillstånd, ordning och reda i kristallstrukturen skulle elimineras helt – som en vägg som ramlar in i en hög med tegelstenar.

Tekniskt, partiklarnas deformation är pseudoelastisk, vilket innebär att materialet återgår till sin ursprungliga form efter att spänningarna har tagits bort - som en klämd gummiboll - i motsats till plasticitet, som i en deformerbar lerklump som behåller en ny form.

Fenomenet plasticitet genom gränssnittsdiffusion föreslogs först av Robert L. Coble, en professor i keramisk teknik vid MIT, och är känd som "Coble creep". "Det vi såg kallas lämpligen Coble-pseudoelasticitet, " säger Li.

Nu när fenomenet har förståtts, forskare som arbetar med nanokretsar eller andra nanoenheter kan ganska enkelt kompensera för det, säger Li. Om nanopartiklarna skyddas av även ett försvinnande tunt lager av oxid, det vätskeliknande beteendet är nästan helt eliminerat, gör stabila kretsar möjliga.

Möjliga fördelar

Å andra sidan, för vissa applikationer kan detta fenomen vara användbart:Till exempel, i kretsar där elektriska kontakter måste motstå rotationsomkonfiguration, partiklar designade för att maximera denna effekt kan visa sig användbara, med användning av ädelmetaller eller en reducerande atmosfär, där bildandet av ett oxidskikt destabiliseras, säger Li.

Det nya fyndet står emot förväntningarna – delvis, på grund av ett välförstått förhållande, i de flesta material, där den mekaniska hållfastheten ökar när storleken minskas.

"I allmänhet, ju mindre storlek, ju högre styrka, "Li säger, men "i mycket små storlekar, en materialkomponent kan bli mycket svagare. Övergången från "mindre är starkare" till "mindre är mycket svagare" kan vara mycket skarp."

Den där korsningen, han säger, sker vid cirka 10 nanometer vid rumstemperatur – en storlek som mikrochipstillverkarna närmar sig när kretsarna krymper. När denna tröskel nås, Li säger, det orsakar "ett mycket brant fall" i en nanokomponents styrka.

Fynden kan också hjälpa till att förklara ett antal onormala resultat som setts i annan forskning om små partiklar, säger Li.