Figura 1. Amostras e configuração experimental. a) Estrutura cristalina de α- e β-In2Se3. [20, 31] As caixas sólidas marcam as células unitárias de α-In2Se3 (2H) e β-In2Se3 (3R). b) Espectros Raman para flocos α- e β-In2Se3; inserções - imagens ópticas dos flocos. c) Diagrama esquemático da configuração da bomba-sonda para medição da velocidade do som:PD - fotodetector; SHG - gerador de segundo harmônico; f1 e f2 são taxas de repetição de pulsos de lasers de bomba e sonda, respectivamente. Aqui, f1, f2 ≈ 80 MHz e uma pequena diferença f1 - f2 =800 Hz resulta em uma varredura temporal lenta dos pulsos da sonda em relação aos pulsos da bomba, fornecendo uma resolução temporal ≈1 ps. As setas pontilhadas mostram a direção da luz. d) O fragmento ampliado do espaço da amostra nos experimentos de PU com bomba de 400 nm e sonda de 800 nm. Crédito:DOI:10.1002 / adfm.202106206
Os pesquisadores desenvolveram um novo método para medir a força e as ligações atômicas em nanoescala que revela que a velocidade do som depende da estrutura pela qual está viajando.
Cientistas da Universidade de Nottingham e da Universidade de Loughborough usaram um método de medição chamado ultrassom de picossegundos, semelhante ao ultrassom médico, para medir a força da ligação do átomo no material. A pesquisa deles foi publicada em Materiais Funcionais Avançados .
A força é fundamental para tudo na vida diária. De tão grande escala quanto a força gravitacional que sublinha o funcionamento de todo o universo, a uma escala tão pequena quanto a interação elétron-elétron que pode ser arrepiante. A força é muito difícil de medir, especialmente quando as forças são muito grandes ou muito pequenas, este é especialmente o caso quando entramos no nanomundo, por exemplo, nos chamados materiais de van der Waals bidimensionais (2D-vdW), onde os objetos têm escalas de comprimento na faixa de 10 -9 metros.
Esses materiais são chamados de materiais 2D porque são geométricos, as propriedades físicas e químicas estão confinadas em duas dimensões dentro de uma fina folha de material. Dentro da folha, os átomos estão fortemente ligados uns aos outros por meio de fortes ligações covalentes ou iônicas, ao passo que as próprias camadas são mantidas juntas por uma força fraca de van der Waals. A natureza totalmente diferente e a coexistência dessas forças de força imensamente diferentes permitem aos cientistas "descascar" o material de cristais minados volumosos para formar camadas atômicas únicas e descobrir fenômenos surpreendentes, incluindo supercondutividade à temperatura ambiente. Desenhar em um pedaço de papel usando lápis, por exemplo, é na verdade um experimento científico para fazer camadas atômicas únicas de átomos de carbono (grafeno), algo que todos nós temos feito por séculos sem perceber. Apesar da investigação intensiva de materiais vdW por muitos grupos de pesquisa em todo o mundo, quase não existem técnicas experimentais para medir a força das ligações atômicas e forças vdW sem destruir os materiais.
Wenjing Yan foi um dos principais pesquisadores da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Nottingham, ela explica:"Usamos ultrassom de picossegundo para medir as ligações covalentes fortes e as forças vdW fracas sem danificar o material. A técnica é semelhante ao ultrassom médico, mas com uma frequência muito maior (terahertz) e, portanto, não invasiva. O estudo brilha 120 femtossegundo (0,00000000000012 segundo) "bomba" de pulsos de laser em flocos de materiais 2D, gerando fônons que são ondas sonoras quantizadas. À medida que os fônons viajam pelo material, eles sentem e interagem com os átomos e as ligações dentro do material. As propriedades desses fônons, que refletem a força das ligações atômicas, é então medido por um segundo pulso de laser "sonda". Descobrimos que o som viaja em velocidades muito diferentes em diferentes fases (estruturas) da mesma substância. "
Alexander Balanov e Mark Greenaway da Loughborough University expandem:"Ao viajar através do material vdW, a onda acústica ultrassônica não destrói o cristal, apenas ligeiramente deforma, o que significa que a estrutura pode ser pensada como um sistema de "molas". Ao saber a velocidade do som a partir das medições e como essas molas respondem à deformação, podemos extrair a força relativa das forças covalentes entre os átomos e as forças vdW entre as camadas. Se aplicarmos a chamada teoria da função de densidade com a ajuda de computadores de alto desempenho, podemos estimar numericamente essas forças para diferentes configurações de empilhamento e sugerir como ajustar o elástico, propriedades elétricas e até químicas de diferentes polimorfos de materiais vdW. "
"Uma boa analogia para nossas descobertas pode ser feita pensando em panqueca e pudim de Yorkshire! Ambos os alimentos são feitos da mesma mistura:ovo, farinha e leite, mas seus diferentes processos de cozimento conferem-lhes diferentes estruturas e propriedades. Embora isso seja óbvio no mundo macroscópico, encontrar tais diferenças em materiais nanoestruturados devido a diferenças sutis nas forças vdW é surpreendente e emocionante, "diz Wenjing Yan." Esta pesquisa abre possibilidades para ajustar as forças vdW empilhando materiais de maneiras diferentes e, ao mesmo tempo, monitorar de forma não destrutiva as propriedades dessas forças e sua correlação com as propriedades físicas e químicas da estrutura multicamadas. Fazendo isso, seremos capazes de projetar o material para um propósito, exatamente como construir blocos de Lego, conforme proposto pelos ganhadores do Prêmio Nobel Andre Geim e Konstantin Novoselov. "
