Attacco al filo: fotografare ed esaminare catene di singoli atomi

Oggi, molti materiali ben studiati in vari campi, come l’elettronica e la catalisi, stanno per raggiungere i loro limiti pratici. Per migliorare ulteriormente la tecnologia moderna e superare le prestazioni dei dispositivi più recenti, i ricercatori alla ricerca di nuovi materiali funzionali devono superare i confini ed esplorare casi più estremi. Un chiaro esempio di ciò è lo studio di materiali a bassa dimensione, come monostrati (materiali bidimensionali) e catene monoatomiche (materiali unidimensionali).

È stato dimostrato più volte che i materiali a bassa dimensionalità mostrano proprietà strane assenti nelle loro controparti 3D. Ad esempio, catene di metalli a singolo atomo come oro e platino (Pt) possono dimostrare il contributo di alcuni fenomeni quantistici, come il sistema magnetico o il trasferimento termico, in modi che possono trovare applicazioni pratiche. Tuttavia, è molto difficile osservare sperimentalmente cosa accade nelle catene monoatomiche di cinque o meno atomi e le proprietà meccaniche dei legami monoatomici rimangono sfuggenti.

Per affrontare questo problema, un gruppo di ricerca guidato dal professor Yoshifumi Oshima del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) in Giappone sta assumendo un ruolo pionieristico in una nuova promettente tecnica per misurare la forza dei singoli legami atomici. Il loro ultimo studio, che è stato Pubblicato in NanoLiters Hanno presentato la loro strategia, alla quale hanno partecipato ricercatori JAIST (Dr. Chang, Dr. Ishizuka, Professor Tomitori, Professor Mizuno e Professor Hongo), oltre al Professor Arai dell’Università di Kanazawa, al Professor Tosati dell’International School for Advanced Studies (SISSA) e il Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP).).

Questa nuova tecnologia, che Oshima ha soprannominato “un metodo di microscopia nanomeccanica”, combina la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) con un risonatore di estensione della lunghezza del quarzo (LER). TEM è una tecnologia di imaging ampiamente utilizzata con una risoluzione spaziale incredibilmente elevata, sufficiente a formare singoli atomi, mentre un LER è un dispositivo che può oscillare a un’ampiezza incredibilmente piccola di pochi trilionesimi di metro e agire come un sensore di forza.

I ricercatori hanno ideato una configurazione sperimentale in cui una piccola giunzione Pt veniva allungata fino al punto di rottura assoluto, cioè quando due strisce di Pt erano attaccate a una catena monoatomica da due a cinque atomi. Allineando attentamente i pezzi in TEM, hanno osservato la formazione e la rottura di catene di Pt a singolo atomo in tempo reale. Inoltre, utilizzando il quarzo LER, hanno misurato la conduttività attraverso la catena e la loro rigidità, mediante la quale è stata calcolata con successo la forza dei singoli legami Pt. “Abbiamo scoperto che la forza di legame di 25 N / m nelle catene monoatomiche di Pt è significativamente elevata, soprattutto rispetto ai 20 N / m che si trovano solitamente nei cristalli di Pt sfusi”, commenta Zhang. “Inoltre, questi legami mono-atomici possono essere allungati di circa il 24% della loro distanza normale, in netto contrasto con il 5% in cui i legami tra gli atomi di Pt possono essere allungati in grandi quantità.”

I risultati dello studio dimostrano il potenziale di questa nuova tecnologia per sondare i legami a catena di un singolo atomo, che potrebbe portare a una migliore comprensione delle interfacce a bassa dimensione o delle superfici dei materiali. Oshima sottolinea: “Il nostro metodo può contribuire notevolmente alla progettazione di materiali e catalizzatori avanzati oltre a far luce sui fenomeni su scala nanometrica in termini di nanomeccanica superficiale o superficiale”. Al contrario, materiali più avanzati e una migliore comprensione delle loro proprietà superficiali faranno sicuramente avanzare i campi dell’elettronica, della chimica e delle nanotecnologie, aprendo la strada a progetti innovativi e sostenibili.

È molto probabile che la frase “appeso a un filo” avrà presto un significato più positivo nella scienza dei nanomateriali!