Forskare rapporterar att det är möjligt att flytta en nanopartikel på ytan av ett grafenark genom att applicera en temperaturskillnad i membranets ändar - ett nanokluster på ytan kommer att driva från det varma området till det kalla. Dessutom, i strid med makroskala fysiska lagar, kraften som verkar på partikeln-den så kallade termoforetiska kraften-bör inte minska när arklängden stiger, i stället med ett så kallat ballistiskt beteende, som en kula i ett pistolrör. Faktiskt, simuleringar visar att vertikala termiska svängningar av grafenmembranet flyter ballistiskt från varmt till kallt, ger en skjutning till föremålet.

För att använda en annan analogi, dessa vertikala vågor, känd som böjfoner, skjut nanoklusteret på samma sätt som havsvågor skjuter en surfbräda till land, oavsett hur långt bort vågan kom ifrån. Dessa teoretiska förutsägelser kan vara av stort intresse för att manipulera material på nanoskala. Forskningen har publicerats i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Temperaturgradienter i en vätska ger en kropp en kraft som kan förskjuta den. Ett sådant fenomen, kallas tekniskt termofores, har varit känd i århundraden. På senare tid, numeriska simuleringar har indikerat att ett sådant gradientinducerat rumsligt skift också fungerar för molekyler eller små kluster placerade på ett fast tvådimensionellt membran som grafen. Men ingen har någonsin försökt förstå fysiken bakom processen. Detta var syftet med vår studie, "förklarar forskarna.

Med specifik programvara, forskarna har simulerat beteendet hos en liten guldnanokluster, gjord av några hundra atomer, adsorberas på ett grafenark som hänger mellan två ändar med olika temperaturer.

"I ett sådant skick, partikeln rör sig faktiskt från den varma till den kalla änden. Förvånande, fastän, dragkraften som beror på det beror bara på den termiska gradienten och inte på plåtlängden, "säger forskarna. Således, det visas att avståndet mellan membranets två ändar inte har någon inverkan på kraften som verkar på guldklustret-denna kraft förblir konstant upp till och bortom en arkanlängd på 100 nanometer.

"Vi har döpt denna säregna termofores till ballistisk, för att skilja den från den diffusiva, som naturligtvis håller i den makroskopiska världen. Med hjälp av en enkel metafor, föreställ dig de två ändarna av grafenarket som toppen och botten av en bild på lekplatsen, och temperaturskillnaden som höjdgapet. I den makroskopiska världen vi upplever i vardagen, ju närmare ändarna på bilden är, desto snabbare blir objektets droppe. I nanoworld, enligt våra simuleringar, detta är inte vad som händer. I denna skala, kraft och fallhastighet beror bara på temperaturgradienten. Men inte på avstånd ... Vi har funnit att den kraft som partikeln upplever beror på vertikala termiska rörelser, känd som böjfoner, som är särskilt breda och mjuka i ett grafenmembran. Böjfononflödet flödar från varmt till kallt utan att tappa styrka och skjuta föremålet över ytan, "skriver forskarna.

Hur kan sådana vertikala termiska vågor ge guldklustret ett horisontellt tryck? "Vår studie visar att en exakt anharmonisk mekanism spelar en avgörande roll i grafen och i andra tvådimensionella flexibla membran. Denna mekanism ger böjfoner med mekanisk fart, som de oftast inte har. Som om de bär en massa, fononer överför en del av sin fart till guldpartikeln, få det att röra sig ... Det är precis som en duk på ett bord - en korrugering i mitten (böjfononerna), vilket betyder högre tygdensitet i mitten, tvingar ytterligheterna att dra sig samman (de längsgående fononerna, i fallet med grafen). Den deponerade partikeln är endast känslig för korrugeringen, som driver det framåt. "

Författarna drar slutsatsen, "När detta projekt startade vi förväntade oss inte att kunna observera en mängd olika fenomen, det var en rent teoretisk studie. Våra resultat, fastän, öppna vägen för framtida experiment, som en distansoberoende mekanisk kraft mycket väl skulle kunna ha praktiska tillämpningar. "