Forskare från North Carolina State University och Brown University har funnit att nanoskala ledningar (nanotrådar) gjorda av vanliga halvledarmaterial har en uttalad anelasticitet - vilket betyder att ledningarna, när böjd, återgå långsamt till sin ursprungliga form istället för att snabbt snäppa tillbaka.

"Alla material har en viss grad av anelasticitet, men det är vanligtvis försumbart i makroskopisk skala, " säger Yong Zhu, en docent i mekanisk och rymdteknik vid NC State och motsvarande författare till en artikel som beskriver arbetet. "Eftersom nanotrådar är så små, anelasticiteten är betydande och lätt att observera - även om det var en total överraskning när vi först upptäckte anelasticiteten i nanotrådar." Anelasticiteten upptäcktes när Zhu och hans elever studerade nanotrådarnas bucklande beteende.

"Anelasticitet är en grundläggande mekanisk egenskap hos nanotrådar, och vi måste förstå den här typen av mekaniska beteenden om vi vill införliva nanotrådar i elektronik eller andra enheter, " säger Elizabeth Dickey, en professor i materialvetenskap och teknik vid NC State och medförfattare till uppsatsen. Nanotrådar lovar att användas i en mängd olika applikationer, inklusive flexibel, töjbara och bärbara elektroniska enheter.

Forskarna arbetade med både zinkoxid och kisel nanotrådar, och fann att - när de böjdes - skulle nanotrådarna återvända mer än 80 procent av vägen till sin ursprungliga form omedelbart, men gå långsamt tillbaka resten av vägen (upp till 20 procent).

"I nanotrådar som är cirka 50 nanometer i diameter, det kan ta 20 eller 30 minuter för dem att återställa de sista 20 procenten av sin ursprungliga form, " säger Guangming Cheng, en Ph.D. student i Zhus labb och den första författaren till tidningen.

Arbetet gjordes med hjälp av verktyg utvecklade i Zhus grupp som gjorde det möjligt för teamet att utföra experiment på nanotrådar medan de var i ett svepelektronmikroskop. Ytterligare analys gjordes med hjälp av ett Titan-aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop i NC State's Analytical Instrumentation Facility.

När något material böjs, bindningarna mellan atomer sträcks eller komprimeras för att rymma böjningen, men i nanoskala material finns det tid för atomerna att också röra sig, eller diffus, från det komprimerade området till det sträckta området i materialet. Om du tänker på den böjda nanotråden som en båge, atomerna rör sig från insidan av bågen till utsidan. När spänningen i den böjda tråden släpps, atomerna som helt enkelt rörde sig närmare eller längre ifrån varandra snäpper tillbaka omedelbart; detta är vad vi kallar elasticitet. Men atomerna som flyttade ur sin position tar tid att återvända till sina ursprungliga platser. Den tidsfördröjningen är ett kännetecken för anelasticitet.

"Det här fenomenet uttalas i nanotrådar. Till exempel, zinkoxidnanotrådar uppvisade ett anelastiskt beteende som är upp till fyra storleksordningar större än den största anelasticiteten som observerats i bulkmaterial, med en återhämtningstidskala i storleksordningen minuter, " säger Huajian Gao, en professor vid Brown University och medförfattare till tidningen. Detaljerad modellering av Gaos grupp indikerar att den uttalade anelasticiteten i nanotrådar beror på att det är mycket lättare för atomer att röra sig genom material i nanoskala än genom bulkmaterial. Och atomerna behöver inte resa så långt. Dessutom, nanotrådar kan böjas mycket längre än tjockare trådar utan att deformeras permanent eller gå sönder.

"En recensent kommenterade att detta är en ny viktig sida i boken om mekanik för nanostrukturer, vilket var väldigt smickrande att höra, " säger Zhu. Teamet planerar att undersöka om denna uttalade anelasticitet är vanlig i material och strukturer i nanoskala. De vill också utvärdera hur denna egenskap kan påverka andra egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga och termisk transport.

Pappret, "Stor anelasticitet och associerad energiförlust i enkristallina nanotrådar, " publiceras online i tidskriften Naturens nanoteknik .