A miniaturização está no centro de inúmeros avanços tecnológicos. É inegável que, à medida que os dispositivos e seus blocos de construção ficam menores, conseguimos desbloquear novas funcionalidades e criar aplicativos inéditos. No entanto, com mais e mais cientistas investigando materiais com estruturas em escala atômica, as lacunas em nossa compreensão atual da física dos nanomateriais estão se tornando mais proeminentes.
Por exemplo, a superfície do nanomaterial representa uma dessas lacunas de conhecimento. Isso ocorre porque a influência dos efeitos quânticos de superfície se torna muito mais aparente quando a razão superfície-volume de um material é alta. Em sistemas nanoeletromecânicos (NEMS), um tópico atual em pesquisa, as propriedades físicas dos nanomateriais diferem muito de suas contrapartes em massa quando seu tamanho é reduzido a alguns átomos. Uma sólida compreensão das propriedades mecânicas de nanofios e nanocontatos – componentes integrais do NEMS – é essencial para o avanço desta tecnologia. Mas, medi-los tem se mostrado uma tarefa desafiadora.

Diante desse cenário, uma equipe de pesquisa do Japão alcançou recentemente um feito sem precedentes quando conseguiu medir com precisão o módulo elástico de nanocontatos de ouro estendidos a alguns átomos. O estudo, publicado em Physical Review Letters , foi liderado pelo Prof. Yoshifumi Oshima do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST). O restante da equipe incluiu o pesquisador de pós-doutorado Jiaqi Zhang e o professor Masahiko Tomitori do JAIST e o professor Toyoko Arai da Universidade de Kanazawa.

Para observar os nanocontatos de ouro à medida que eram esticados mecanicamente, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de transmissão (TEM) em ultra-alto vácuo. Isso foi essencial para garantir que a superfície dos nanocontatos ficasse perfeitamente limpa durante as medições. Enquanto isso, para medir com precisão o módulo de Young (uma medida de rigidez) dos nanocontatos, a equipe recorreu a uma técnica inovadora que havia desenvolvido anteriormente. Eles colocaram um ressonador de extensão de comprimento de quartzo (LER) em um suporte TEM e anexaram um lado do nanocontato a ele. Em sua configuração, a frequência de ressonância mudou dependendo da "constante de mola equivalente" do nanocontato de ouro, que está relacionada ao módulo de Young do material. "Com nossa abordagem, que chamamos de 'método de medição nanomecânica', podemos medir com precisão a constante de mola equivalente de um nanomaterial ao mesmo tempo em que o observamos usando TEM e medindo sua condutividade elétrica", explica o Prof. Oshima.

Usando essa estratégia, os pesquisadores experimentaram nanocontatos de ouro que esticaram progressivamente sem quebrar. Eles observaram como os átomos individuais se reorganizavam em novas camadas à medida que cada nanocontato era esticado e calcularam como o módulo de Young mudou dependendo de seu tamanho. Enquanto o módulo de Young do interior dos nanocontatos era igual ao do ouro a granel (90 GPa), o da superfície dos nanocontatos era apenas 22 GPa.

Com esse conhecimento, a equipe demonstrou que a força geral dos nanocontatos de ouro é governada pela suavidade de sua camada superficial mais externa. "Nossas descobertas esclarecem por que a força de um nanomaterial difere daquela de cristais em massa, dependendo de seu tamanho, e nossa abordagem nos permite estimar o módulo de Young de qualquer tipo de ouro nanométrico", observa o Prof. Oshima. "Mais notavelmente, nossos resultados fornecem diretrizes apropriadas para o projeto e desenvolvimento de nanofios e nanofolhas para NEMS. Isso pode abrir portas para sensores promissores de pressão, gás e som, entre outras aplicações", acrescenta.

Além do NEMS, a equipe espera que seus resultados, juntamente com seu método de medição, possam ter implicações potenciais para a química, já que as reações químicas dependem não apenas da estrutura ou do estado eletrônico do catalisador, mas também das vibrações em escala atômica em sua superfície. Como essas vibrações atômicas estão relacionadas à resistência superficial do material, é possível que a metodologia proposta possa nos ajudar a encontrar novas formas de controlar as reações químicas. + Explorar mais

Pendurado por um fio:imagens e cadeias de sondagem de átomos únicos