p (Phys.org) - Uma nova plataforma de pesquisa usa um laser para medir as propriedades "nanomecânicas" de estruturas minúsculas submetidas a estresse e aquecimento, uma abordagem que provavelmente trará ideias para melhorar os projetos de microeletrônica e baterias. p Esta nova técnica, chamada espectroscopia Raman nanomecânica, revela informações sobre como o aquecimento e o estresse superficial de estruturas em microescala afetam suas propriedades mecânicas. Os pesquisadores discutiram os méritos da influência da tensão superficial nas propriedades mecânicas por décadas. Contudo, a espectroscopia Raman nanomecânica ofereceu a primeira dessas medições, disse Vikas Tomar, professor associado da Escola de Aeronáutica e Astronáutica de Purdue.

p A tensão superficial é semelhante à tensão superficial que permite que pequenos insetos andem na água, torna as gotas de água esféricas, e faz com que a pele humana inicialmente resista à penetração de uma agulha. Na escala relativamente grande do comum, máquinas do dia a dia, a tensão superficial é insignificante, mas torna-se crítico para micro e nanoestruturas, ele disse.

p As descobertas recentes são potencialmente importantes porque as estruturas de silício medidas na escala de micrômetros e nanômetros formam componentes essenciais de processadores semicondutores, sensores e uma classe emergente de máquinas minúsculas chamadas sistemas microeletromecânicos.

p "Descobriu-se que o funcionamento de tais dispositivos é altamente afetado por sua temperatura operacional, - Tomar disse. - Esses dispositivos densamente embalados geram calor considerável durante a operação. Contudo, até agora não fomos capazes de medir como o aquecimento e a tensão superficial contribuem para as propriedades mecânicas. "

p Informações sobre a plataforma e novas descobertas de pesquisas foram detalhadas em três artigos publicados este ano. O mais recente apareceu em 15 de agosto no Journal of Applied Physics . Tomar liderou a pesquisa com o ex-aluno de doutorado Ming Gan, que se formou e agora está trabalhando na indústria, e o atual aluno de doutorado Yang Zhang.

p Na espectroscopia Raman, um laser interage com a estrutura de cristal vibrante de materiais, fornecer informações sobre a composição química dos materiais.

p "Mas não fomos capazes de incorporar estresse ou deformação in-situ nessas assinaturas químicas, - Tomar disse. - Agora combinamos medições nanomecânicas em espectroscopia Raman.

p Os pesquisadores usaram a técnica para estudar cantiléveres de silício em microescala, pequenas lascas em forma de prancha de mergulho com cerca de 7 mícrons de espessura, ou cerca de um décimo da espessura de um cabelo humano, e 225 mícrons de comprimento. Os cantiléveres foram aquecidos e tensionados simultaneamente. As tensões superficiais nas escalas micro e nano foram medidas pela primeira vez em conjunto com a mudança de temperatura e a deformação de uma estrutura.

p Os resultados mostram que aquecer um cantilever de 25 a 100 graus Celsius enquanto aplica tensão à estrutura causa um aumento dramático na taxa de deformação, ou deformação.

p O aquecimento reduz as forças de ligação entre os átomos na superfície das estruturas. A força de ligação mais baixa resulta em um estado "relaxado" dos átomos da superfície ou próximos à superfície que progride conforme a temperatura aumenta, levando a rachaduras e falha do dispositivo.

p “A chave é ser capaz de medir propriedades térmicas e mecânicas simultaneamente porque estão inter-relacionadas, e a tensão superficial influencia as propriedades mecânicas, "Tomar disse.

p As descobertas são potencialmente importantes para a medição de componentes em baterias para estudar as tensões, pois elas se expandem e contraem constantemente durante os ciclos de carga-descarga. Sensores comuns são incapazes de suportar condições severas dentro das baterias.

p Contudo, porque a espectroscopia Raman usa um laser para realizar medições, não precisa ser colocado nas baterias, tornando possível um novo tipo de sensor removido das condições adversas dentro das baterias.

p "Se você não precisa de sensores integrados, pode entrar em ambientes extremos, "ele disse." Você pode aprender como as tensões estão evoluindo para que possamos projetar baterias melhores. "

p Essa tecnologia também pode ser importante para o desenvolvimento de materiais compósitos superfortes que imitam aqueles encontrados em alguns animais marinhos que são capazes de sobreviver nas condições extremas encontradas nas fontes hidrotermais do fundo do oceano. Um obstáculo é superar as tensões que ocorrem nas interfaces de diferentes camadas dentro dos materiais compostos.

p “Esses materiais sempre quebram nas interfaces, "Tomar disse." Agora podemos entender como o material está se deformando como as tensões da interface estão se desenvolvendo, e isso nos permitirá prever como modificá-los. "