En bild av ett transmissionselektronmikroskop till vänster och en färgkartaversion till höger framhäver deformationer i nanoskivor av silver som lagts över nanosfärer av järnoxid. Rice University forskare fastställde att van der Waals krafter mellan sfärerna och arken är tillräckliga för att förvränga silvret, öppningsdefekter i deras kristallina gitter som skulle kunna användas i optik eller katalys. Kredit:The Jones Lab/Rice University
Du måste titta noga, men kullarna lever med van der Waals kraft.
Rice University forskare fann att naturens allestädes närvarande "svaga" kraft är tillräcklig för att dra in stela nanoark, utökar deras potential för användning i nanoskala optik eller katalytiska system.
Att ändra formen på partiklar i nanoskala ändrar deras elektromagnetiska egenskaper, sa Matt Jones, Norman och Gene Hackerman biträdande professor i kemi och biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik. Det gör fenomenet värt att studera vidare.
"Människor bryr sig om partikelformen, eftersom formen ändrar dess optiska egenskaper, Jones sa. "Detta är ett helt nytt sätt att ändra formen på en partikel."
Jones och doktoranden Sarah Rehn ledde studien i American Chemical Society's Nanobokstäver.
Van der Waals är en svag kraft som tillåter neutrala molekyler att attrahera varandra genom slumpmässigt fluktuerande dipoler, beroende på avstånd. Även om den är liten, dess effekter kan ses i makrovärlden, som när geckos går uppför väggar.
"Van der Waals styrkor finns överallt och, väsentligen, på nanoskala är allt klibbigt, " sa Jones. "När du lägger en stor, platt partikel på en stor, plan yta, det är mycket kontakt, och det räcker för att permanent deformera en partikel som är riktigt tunn och flexibel."
En bild av ett transmissionselektronmikroskop av forskare från Rice University visar en silvernanoplatta deformerad av en partikel, bildar blomformade spänningskonturer i materialet som indikerar en bula. Att ändra formen på materialet ändrar dess elektromagnetiska egenskaper, vilket gör den lämplig för katalys eller optiska tillämpningar. Kredit:The Jones Lab/Rice University
I den nya studien, Rice-teamet bestämde sig för att se om kraften kunde användas för att manipulera 8 nanometer tjocka ark av segt silver. Efter att en matematisk modell visade dem att det var möjligt, de placerade 15 nanometer breda nanosfärer av järnoxid på en yta och strödde prismaformade nanoskivor över dem.
Utan att använda någon annan kraft, de såg genom ett transmissionselektronmikroskop att nanoarken fick permanenta stötar där det inte fanns några tidigare, precis ovanpå sfärerna. Som uppmätt, distorsionerna var cirka 10 gånger större än sfärernas bredd.
Kullarna var inte särskilt höga, men simuleringar bekräftade att van der Waals attraktion mellan arket och substratet som omger sfärerna var tillräcklig för att påverka plasticiteten hos silvrets kristallina atomgitter. De visade också att samma effekt skulle uppstå i kiseldioxid och kadmiumselenid nanoark, och kanske andra föreningar.
"Vi försökte göra riktigt tunna, stora silver nanoplattor och när vi började ta bilder, vi såg dessa konstiga, sexfaldiga töjningsmönster, som blommor, sa Jones, som fick ett flerårigt Packard-stipendium 2018 för att utveckla avancerade mikroskopitekniker.
"Det var ingen mening, men så småningom kom vi på att det var en liten kula som plattan var draperad över, skapar påfrestningen, " sa han. "Vi trodde inte att någon hade undersökt det, så vi bestämde oss för att ta en titt.
"Vad det handlar om är att när du gör en partikel riktigt tunn, det blir riktigt flexibelt, även om det är en styv metall, " sa Jones.
Rice University forskare fann det allestädes närvarande, "svag" van der Waals kraft var tillräcklig för att indraga ett styvt silver nanoark. Fenomenet föreslår möjliga tillämpningar i nanoskala optik eller katalytiska system. Kredit:The Jones Lab/Rice University
I ytterligare experiment, forskarna såg att nanosfärer kunde användas för att kontrollera formen på deformationen, från enkla åsar när två sfärer är nära, att sadla former eller isolerade gupp när sfärerna är längre ifrån varandra.
De fastställde att ark mindre än cirka 10 nanometer tjocka och med sidförhållande på cirka 100 är mest mottagliga för deformation.
Forskarna noterade att deras teknik skapar "en ny klass av kurvlinjära strukturer baserade på substrattopografi" som "skulle vara svåra att generera litografiskt." Det öppnar nya möjligheter för elektromagnetiska enheter som är särskilt relevanta för nanofotonisk forskning.
Att sila silvergittret förvandlar också den inerta metallen till en möjlig katalysator genom att skapa defekter där kemiska reaktioner kan inträffa.
"Det här blir spännande för nu, de flesta människor gör dessa typer av metamaterial genom litografi, " sa Jones. "Det är ett riktigt kraftfullt verktyg, men när du väl har använt det för att mönstra din metall, du kan aldrig ändra det.
"Nu har vi alternativet, kanske någon dag, att bygga ett material som har en uppsättning egenskaper och sedan ändra det genom att deformera det, ", sa han. "Eftersom de krafter som krävs för att göra det är så små, vi hoppas hitta ett sätt att växla mellan de två."
