Nanocząsteczki mogą zachowywać się na zewnątrz jak ciecz, od wewnątrz mają właściwości kryształu

Odkrycie przez zespół profesora Ju Li z Instytutu Technologii w Massachutes(MIT) funkcji nanocząsteczek, polegającej na zachowywaniu się przez nie na zewnątrz jak ciecz, a wewnątrz jak kryształ, może posiadać kluczowe znaczenie przy projektowaniu komponentów w nanotechnologii, takich jak metalowe styki dla molekularnych układów elektronicznych. Wyniki uzyskane przez międzynarodowy zespół naukowców (z Chin, Japonii, Pittsburgu oraz MIT) zostały opublikowane w Nature Materials.[1] Są one połączeniem analiz laboratoryjnych oraz modelowania komputerowego.

Nanocząsteczki mogą zachowywać się na zewnątrz jak ciecz, od wewnątrz mają właściwości kryształu

 Prawa autorskie: Yan Liang

Badania przeprowadzono  przy użyciu cząsteczek czystego srebra o średnicy poniżej 10 nanometrów (dla porównania jest to jedna tysięczna szerokości ludzkiego włosa). Srebro ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia (962°C), więc zaobserwowanie właściwości charakterystycznych dla cieczy, podczas badania przeprowadzonego w temperaturze pokojowej, było dość nieoczekiwane. Według badaczy, otrzymane wyniki powinny mieć zastosowanie w przypadku wielu innych metali. Wyjątkiem jest cyna, której nanocząsteczki (pomimo niższej temperatury topnienia od srebra) nie wykazały wyżej wymienionych właściwości.

Zastosowanie nanocząsteczek w elektronice czy lekach jest wciąż obszarem wielu badań. Wyżej ukazana zmiana właściwości nanocząsteczek spowodowała utworzenie potencjalnej przeszkody dla wielu zastosowań, np. odkształcenia nanocząsteczek srebra czy złota, stosowanych w obwodach elektrycznych, mogą skutkować awarią połączenia elektrycznego.

Badania przy użyciu mikroskopu elektronowego wykazały, że zewnętrzna część nanocząstek metali wydaje się poruszać jak płyn, ale tylko warstwy najbardziej oddalone (jeden lub dwa atomy grubości) faktycznie poruszają się w dowolnym momencie. Zewnętrzne warstwy poruszające się na powierzchni dają wrażenie dużego ruchu, ale wewnątrz każdej cząsteczki atomy pozostają idealnie wyrównane, jak cegły w murze. Za wyjątkiem pierwszych dwóch warstw atomów struktura jest krystaliczna.

Natomiast, jeśli będziemy mieli do czynienia ze stanem ciekłym, nastąpi wyeliminowanie struktury krystalicznej. Z technicznego punktu widzenia odkształcenie cząstek jest pseudoelastyczne, co oznacza, że materiał powraca do swojego pierwotnego kształtu. Zjawisko plastyczności przy przenikaniu międzyfazowym zostało zaproponowane przez Roberta L. Coble i znane jest jako „pełzanie Coble’a”. Teraz, kiedy to zjawisko jest rozumiane, naukowcy pracują nad nanourządzeniami mogącymi je zrekompensować. Jeśli nanocząsteczki są chronione nawet cienką warstwą tlenku, wtedy zachowywanie się jak ciecz jest praktycznie całkowicie wyeliminowane.

W pewnych przypadkach to zjawisko może być użyteczne. Na przykład w układach, gdzie styki elektryczne muszą wytrzymywać rekonfigurację obrotową czy w atmosferze redukującej, gdzie formowanie warstwy tlenku jest destabilizujące. Nowe odkrycia stoją w obliczu oczekiwań w przypadku większości materiałów, gdzie mechaniczne zwiększenie wytrzymałości jest proporcjonalne do zmniejszania wielkości.

„Na ogół mniejszy rozmiar oznacza większą siłę”, mówi Li. „W bardzo małych rozmiarach materiał składowy może być znacznie słabszy”. Przejście z „mniejszy jest silniejsze” na „mniejszy jest znacznie słabszy” może być bardzo ostre. Taka zmiana ma miejsce przy temperaturze pokojowej dla cząstek o wielkości 10 nanometrów. Gdy te warunki zostaną osiągnięte, zachodzi bardzo gwałtowny spadek siły danego nanokomponeta. Te odkrycia mogą wyjaśnić wiele anomalnych wyników obserwowanych w innych badaniach na małych cząstkach.

  1. Jun Sun, Longbing He, Yu-Chieh Lo, Tao Xu, Hengchang Bi, Litao Sun, Ze Zhang, Scott X. Mao, Ju Li (2004).Liquid-like pseudoelasticity of sub-10-nm crystalline silver particlesNature Materials. DOI: 1038/nmat4105.
  2. Nanoparticles can act like liquid on the outside, crystal on the inside, Science Daily

Opracowała: Kinga Cholewińska

Korekta: Monika Bryczkowska

 

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*