Uma imagem do microscópio eletrônico de transmissão à esquerda e uma versão do mapa colorido à direita destacam as deformações em nanofolhas de prata colocadas sobre as nanoesferas de óxido de ferro. Cientistas da Rice University determinaram que as forças de van der Waals entre as esferas e as folhas são suficientes para distorcer a prata, abertura de defeitos em suas redes cristalinas que poderiam ser usados em óptica ou catálise. Crédito:The Jones Lab / Rice University
Você tem que olhar de perto, mas as colinas estão vivas com a força de van der Waals.
Cientistas da Rice University descobriram que a onipresente força "fraca" da natureza é suficiente para indentar nanofolhas rígidas, estendendo seu potencial para uso em óptica em nanoescala ou sistemas catalíticos.
Mudar a forma das partículas em nanoescala muda suas propriedades eletromagnéticas, disse Matt Jones, o professor assistente de química Norman and Gene Hackerman e professor assistente de ciência dos materiais e nanoengenharia. Isso faz com que o fenômeno valha um estudo mais aprofundado.
"As pessoas se preocupam com a forma das partículas, porque a forma muda suas propriedades ópticas, "Jones disse." Esta é uma maneira totalmente nova de mudar a forma de uma partícula. "
Jones e a estudante Sarah Rehn lideraram o estudo na American Chemical Society's Nano Letters.
Van der Waals é uma força fraca que permite que as moléculas neutras se atraiam através de dipolos flutuantes aleatoriamente, dependendo da distância. Embora pequeno, seus efeitos podem ser vistos no mundo macro, como quando lagartixas sobem pelas paredes.
"As forças de Van der Waals estão em toda parte e, essencialmente, na nanoescala tudo é pegajoso, "Disse Jones." Quando você coloca um grande, partícula plana em uma grande, superfície plana, tem muito contato, e é o suficiente para deformar permanentemente uma partícula que é realmente fina e flexível. "
Uma imagem de microscópio eletrônico de transmissão feita por cientistas da Rice University mostra uma nanoplaca de prata deformada por uma partícula, formando contornos de tensão em forma de flor no material que indicam uma saliência. Mudar a forma do material muda suas propriedades eletromagnéticas, tornando-o adequado para catálise ou aplicações ópticas. Crédito:The Jones Lab / Rice University
No novo estudo, a equipe do Rice decidiu ver se a força poderia ser usada para manipular folhas de prata dúctil com 8 nanômetros de espessura. Depois que um modelo matemático mostrou que era possível, eles colocaram nanoesferas de óxido de ferro de 15 nanômetros de largura em uma superfície e nano folhas em forma de prisma sobre elas.
Sem aplicar qualquer outra força, eles viram através de um microscópio eletrônico de transmissão que as nanofolhas adquiriram saliências permanentes onde não existiam antes, bem em cima das esferas. Como medido, as distorções eram cerca de 10 vezes maiores do que a largura das esferas.
As colinas não eram muito altas, mas as simulações confirmaram que a atração de van der Waals entre a folha e o substrato ao redor das esferas era suficiente para influenciar a plasticidade da rede atômica cristalina da prata. Eles também mostraram que o mesmo efeito ocorreria em nanofolhas de dióxido de silício e seleneto de cádmio, e talvez outros compostos.
"Estávamos tentando fazer realmente fino, grandes nanoplacas de prata e quando começamos a tirar fotos, vimos esses estranhos, padrões de tensão seis vezes, como flores, "disse Jones, que ganhou uma bolsa plurianual da Packard Fellowship em 2018 para desenvolver técnicas avançadas de microscopia.
"Não fazia sentido, mas finalmente descobrimos que era uma pequena bola de gosma sobre a qual o prato estava, criando a tensão, "disse ele." Não pensamos que alguém tivesse investigado isso, então decidimos dar uma olhada.
"O que acontece é que, quando você faz uma partícula muito fina, torna-se muito flexível, mesmo se for um metal rígido, "Jones disse.
Cientistas da Rice University descobriram que o onipresente, A força "fraca" de van der Waals foi suficiente para recortar uma nano folha de prata rígida. O fenômeno sugere possíveis aplicações em ótica em nanoescala ou sistemas catalíticos. Crédito:The Jones Lab / Rice University
Em outros experimentos, os pesquisadores viram que as nanoesferas poderiam ser usadas para controlar a forma da deformação, de cristas simples quando duas esferas estão próximas, para selar formas ou saliências isoladas quando as esferas estão mais afastadas.
Eles determinaram que as folhas com menos de cerca de 10 nanômetros de espessura e com relações de aspecto de cerca de 100 são mais suscetíveis à deformação.
Os pesquisadores observaram que sua técnica cria "uma nova classe de estruturas curvilíneas com base na topografia do substrato" que "seria difícil de gerar litograficamente". Isso abre novas possibilidades para dispositivos eletromagnéticos que são especialmente relevantes para a pesquisa nanofotônica.
A tensão da rede de prata também transforma o metal inerte em um possível catalisador, criando defeitos onde podem ocorrer reações químicas.
"Isso é emocionante porque agora, a maioria das pessoas faz esses tipos de metamateriais por meio de litografia, "Disse Jones." Essa é uma ferramenta realmente poderosa, mas uma vez que você usou isso para padronizar seu metal, você nunca pode mudar isso.
"Agora temos a opção, talvez algum dia, para construir um material que tem um conjunto de propriedades e, em seguida, alterá-lo deformando-o, "disse ele." Porque as forças necessárias para fazer isso são tão pequenas, esperamos encontrar uma maneira de alternar entre os dois. "