Miniatyrisering ligger i hjärtat av otaliga tekniska framsteg. Det är obestridligt att när enheter och deras byggstenar blir mindre, lyckas vi låsa upp nya funktioner och komma med applikationer utan motstycke. Men med fler och fler forskare som gräver i material med strukturer på atomär skala, blir luckorna i vår nuvarande förståelse av nanomaterialfysik mer framträdande.

Till exempel representerar nanomaterialets yta en sådan kunskapslucka. Detta beror på att påverkan av ytkvanteffekter blir mycket tydligare när förhållandet mellan yta och volym av ett material är högt. I nanoelektromekaniska system (NEMS), ett aktuellt hett ämne inom forskning, skiljer sig de fysikaliska egenskaperna hos nanomaterialen avsevärt från deras bulkmotsvarigheter när deras storlek reduceras till ett fåtal atomer. En gedigen förståelse för de mekaniska egenskaperna hos nanotrådar och nanokontakter – integrerade komponenter i NEMS – är avgörande för att utveckla denna teknik. Men att mäta dem har visat sig vara en utmanande uppgift.

Mot denna bakgrund uppnådde ett forskarlag från Japan nyligen en aldrig tidigare skådad bedrift när de lyckades exakt mäta elasticitetsmodulen hos guld nanokontakter sträckt ner till ett fåtal atomer. Studien, publicerad i Physical Review Letters , leddes av Prof. Yoshifumi Oshima från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Resten av teamet inkluderade forskarstipendiaten Jiaqi Zhang och professor Masahiko Tomitori från JAIST och professor Toyoko Arai från Kanazawa University.

För att observera guldnanokontakterna när de sträcktes mekaniskt använde forskarna transmissionselektronmikroskopi (TEM) i ultrahögt vakuum. Detta var viktigt för att säkerställa att ytan på nanokontakterna förblev helt ren under mätningarna. Under tiden, för att exakt mäta Youngs modul (ett mått på styvhet) för nanokontakterna, tog teamet till en innovativ teknik som de tidigare hade utvecklat. De satte en kvartslängdförlängningsresonator (LER) i en TEM-hållare och fäste ena sidan av nanokontakten till den. I deras uppsättning ändrades resonansfrekvensen beroende på den "ekvivalenta fjäderkonstanten" för guld nanokontakten, vilket är relaterat till materialets Youngs modul. "Med vårt tillvägagångssätt, som vi kallade 'nanomekanikmätmetoden', kan vi noggrant mäta ett nanomaterials ekvivalenta fjäderkonstant samtidigt som vi observerar det med hjälp av TEM och mäter dess elektriska ledningsförmåga", förklarar prof. Oshima.

Med denna strategi experimenterade forskarna med guld nanokontakter som de successivt sträckte ut utan att gå sönder. De observerade hur enskilda atomer ordnade om sig till nya lager när varje nanokontakt sträcktes, och beräknade hur Youngs modul förändrades beroende på dess storlek. Medan Youngs modul för insidan av nanokontakterna var lika med den för bulkguld (90 GPa), visade sig den för ytan av nanokontakterna vara endast 22 GPa.

Med denna kunskap visade teamet att den övergripande styrkan hos guld nanokontakter styrs av mjukheten hos deras yttersta ytskikt. "Våra resultat klargör varför styrkan hos ett nanomaterial skiljer sig från den hos bulkkristaller beroende på dess storlek, och vårt tillvägagångssätt tillåter oss att uppskatta Youngs modul för alla typer av guld i nanostorlek", säger Prof. Oshima. "Våra resultat ger framför allt lämpliga riktlinjer för design och utveckling av nanotrådar och nanosheets för NEMS. Detta kan öppna dörrar till lovande tryck-, gas- och ljudsensorer, bland andra applikationer", tillägger han.

Bortsett från NEMS förväntar sig teamet att deras resultat, tillsammans med deras mätmetod, kan ha potentiella konsekvenser för kemin eftersom kemiska reaktioner inte bara beror på katalysatorns struktur eller elektroniska tillstånd utan också på atomskaliga vibrationer på dess yta. Eftersom dessa atomvibrationer är relaterade till materialets ythållfasthet är det möjligt att den föreslagna metoden kan hjälpa oss att hitta nya sätt att kontrollera kemiska reaktioner. + Utforska vidare

Hängande i en tråd:Avbildning och sondering av kedjor av enskilda atomer