Ett internationellt team av forskare har upptäckt hur man mäter motståndet hos ett nanomembran mot både böjning och sträckning genom att rulla det till ett rör och utföra ett enda experiment för att mäta rörets böjmotstånd längs dess längd. Tidigare metoder krävde två experiment:ett för att mäta ett nanomembrans böjmotstånd och ett annat för att mäta dess sträckningsmotstånd. Upptäckten förväntas hjälpa forskare som arbetar med att göra tredimensionella föremål och enheter från tvådimensionella membran som endast är en nanopartikel tjock. Transmissionselektronmikrografen till höger erhölls vid Argonne's Center for Nanoscale Materials.
Den första direkta mätningen av motstånd mot böjning i ett membran i nanoskala har gjorts av forskare från University of Chicago, Peking University, Weizmann Institute of Science och Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory.
Deras forskning ger forskare en ny, enklare metod för att mäta nanomaterials motståndskraft mot böjning och sträckning, och öppnar nya möjligheter för att skapa objekt och maskiner i nanostorlek genom att kontrollera och skräddarsy det motståndet. (En nanometer är en miljarddels meter, ungefär lika långa som dina naglar växer på en sekund.)
Forskargruppen arbetade med ett guld nanomembran. "Det är som ett pappersark, bara tio tusen gånger tunnare, " sa Heinrich Jaeger från University of Chicago. "Om du skjuter ett papper över kanten på ett bord, den böjer sig ner. Guld nanomembranet beter sig på samma sätt, men det är hundra gånger styvare än papperet om det skalas till samma tjocklek – hundra gånger mer motståndskraftigt mot böjning.
"Forskare runt om i världen letar efter sätt att manipulera ultratunna nanomaterial till stabila tredimensionella objekt, " Sa Jaeger. "Utmaningen är hur man gör en tvådimensionell film till en tredimensionell form när filmen är så tunn och flexibel. Det är som nano-origami:hur får man det att hålla en stabil form? Du behöver något styvare än du förväntar dig. Det visar sig att många nanomembran redan kan ha den egenskapen."
"Vi blev förvånade över att finna att guldnanomembranet var över hundra gånger mer motståndskraftigt mot böjning än vi förutspått, baserat på standardelasticitetsteori och vår erfarenhet av tunna plåtar, som papper, sa Xiao-Min Lin, som tillverkade guldnanopartiklarna i specialiserade anläggningar vid Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility belägen i Argonne. "Vi tror att det är relaterat till membranets inre struktur. Membranet är bara en nanopartikel tjock, så det är i princip all yta med väldigt liten inre volym. Mindre strukturella störningar längs dess yta skulle avsevärt öka dess motståndskraft mot böjning. Vi tror också att molekylär packning mellan nanopartiklar starkt kan påverka dess förmåga att böjas."
Avgörande för lagets upptäckt var en ny metod för att skapa guldmembran som rullar sig själva till nanostora rullar och en ny teknik för att mäta rullens motstånd mot böjning. Båda utvecklades av Yifan Wang från University of Chicago med hjälp av CNM:s faciliteter.
Guldnanoscrollerna var självmonterade genom att suspendera en vätska innehållande guldnanopartiklar på en kolskärm. När vätskan torkade, det lämnade ett guldmembran som hängde som ett nano-trumskinn över skärmens cirkulära hål. När membranen fortsatte att torka och dra åt, ena kanten drog loss från skärmen, och membranet rullades spontant upp för att bilda ett ihåligt rör.
"Det finns många sätt att göra nanopartikelrör, sa Wang, "men de involverar saker som att exponera membran för elektronstrålar, som kan förändra fysikaliska egenskaper, som deras motstånd mot böjning och sträckning – just de saker vi ville mäta. Vi behövde ett icke-invasivt sätt att tillverka nanopartikelrör utan att ändra dessa egenskaper."
Teamet fann att ett nanomembrans motstånd mot både böjning och sträckning kan beräknas från ett enda experiment som använder atomkraftsmikroskopi för att mäta böjmotstånd längs längden av ett monolagermembran som har rullats in i en ihålig cylinder. (Atomkraftsmikroskopi använder en fysisk sond för att mäta ytdetaljer så små som en bråkdel av en nanometer.) Tidigare metoder krävde två separata experiment på membran i nanoskala - ett för att mäta sträckningsmotstånd och ett annat för att mäta böjmotstånd.
"Rörets svar på små lokala fördjupningar är en signatur för bidrag till både böjning och sträckning, " sade Wang. "Som ett resultat, en enda uppsättning mätningar av motståndet mot intryck längs rörets längd ger direkt tillgång till dess böjningsmodul och sträckningsmodul - nyckelparametrar som behövs för att beräkna motståndet mot både böjning och sträckning."
Eftersom mätningen enbart baseras på elasticitetsteori och rörets geometri, Wang förklarade, den bör ha allmän tillämpbarhet över ett brett spektrum av material och storleksskalor, från nano- och mikrotubuli till verkligt makroskopiska objekt.
"Ultrathina ark som bara är en nanopartikel tjock har unika mekaniska egenskaper, " Wang sade. "Detta experiment ger ny input för oberoende kontroll av motståndet mot böjning och sträckning på nanoskala. Det ska vara möjligt att skräddarsy böjnings- och sträckningsparametrar och att utveckla nya nanomaterial och nanoobjekt med specifika önskvärda egenskaper."
