As propriedades das bordas das nanofitas são importantes para suas aplicações em dispositivos eletrônicos, sensores e catalisadores. Um grupo de cientistas do Japão e da China estudou a resposta mecânica de nanofitas de dissulfeto de molibdênio de camada única com bordas de poltrona usando microscopia eletrônica de transmissão in situ.



Eles mostraram que o módulo de Young da nanofita variou inversamente com sua largura abaixo da largura de 3 nm, indicando maior rigidez de ligação para as bordas da poltrona. O trabalho deles, publicado na revista Advanced Science , foi coautor do Professor Associado Kenta Hongo e do Professor Ryo Maezono do JAIST e do Professor Chunmeng Liu e do Professor Jiaqi Zhang da Universidade de Zhengzhou, China.

Os sensores tornaram-se onipresentes no mundo moderno, com aplicações que vão desde a detecção de explosivos, medição de picos fisiológicos de glicose ou cortisol de forma não invasiva até a estimativa dos níveis de gases de efeito estufa na atmosfera.

A principal tecnologia necessária para sensores é um ressonador mecânico. Tradicionalmente, os cristais de quartzo têm sido utilizados para esse fim devido à sua alta rigidez e fácil disponibilidade. No entanto, esta tecnologia deu recentemente lugar a nanomateriais avançados. Um desses materiais promissores é o dissulfeto de molibdênio de parede simples (MoS₂ ) nanofita.

Caracterizar as propriedades físicas e químicas das bordas das nanofitas é crucial para suas aplicações em dispositivos eletrônicos, sensores e catalisadores. No entanto, a resposta mecânica do MoS₂ nanofitas - que se espera que sejam dependentes de sua estrutura de borda - permaneceram inexploradas, dificultando sua implementação prática em ressonadores finos.

Neste contexto, um grupo de cientistas do Japão e da China, liderado pelo professor Yoshifumi Oshima do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), investigou as propriedades mecânicas - nomeadamente o módulo de Young - do MoS<sub>2 nanofitas com bordas de poltrona em função de sua largura usando um método de medição micromecânica.

O professor Oshima diz:"Desenvolvemos o primeiro método de medição micromecânica do mundo para esclarecer a relação entre o arranjo atômico de materiais em escala atômica e sua resistência mecânica, incorporando um ressonador de extensão de comprimento (LER) baseado em quartzo em um elétron de transmissão in situ suporte para microscopia (TEM)."

Como a frequência de ressonância de um ressonador de quartzo muda quando ele detecta contato com um material, a constante de mola equivalente do material pode ser estimada com alta precisão pela mudança nesta frequência de ressonância. Além disso, é possível capturar imagens TEM de alta resolução, já que a amplitude de vibração do LER necessária para a medição é tão pequena quanto 27h. Consequentemente, o novo método desenvolvido pelos pesquisadores conseguiu superar as deficiências das técnicas convencionais, alcançando medições de alta precisão.

Os pesquisadores primeiro sintetizaram um MoS2 de camada única nanofita descascando a camada mais externa da borda dobrada de um MoS2 multicamadas usando uma ponta de tungstênio. A nanofita de camada única foi apoiada entre a multicamada e a ponta.

A imagem TEM deste MoS2 nanoribbon revelou que sua borda tinha uma estrutura de poltrona. "A largura e o comprimento da nanofita também foram medidos a partir da imagem, e a constante de mola equivalente correspondente foi determinada a partir da mudança de frequência do LER para obter o módulo de Young desta nanofita", disse o palestrante Chunmeng Liu.

Os pesquisadores descobriram que o módulo de Young do MoS2 de camada única nanofitas com bordas de poltrona dependiam de sua largura. Embora tenha permanecido constante em torno de 166 GPa para fitas mais largas, mostrou uma relação inversa com a largura para fitas abaixo de 3 nm de largura, aumentando de 179 GPa para 215 GPa à medida que a largura da nanofita diminuiu de 2,4 nm para 1,1 nm. Os pesquisadores atribuíram isso a uma maior rigidez de ligação nas bordas em comparação com o interior.

Cálculos da teoria do funcional da densidade realizados pelos pesquisadores para explicar suas observações revelaram que os átomos de Mo se curvaram na borda da poltrona, o que resultou na transferência de elétrons para os átomos de S em ambos os lados. Isto, por sua vez, aumentou a atração coulombiana entre os dois átomos, aumentando a resistência da borda.

Este estudo lança luz importante sobre as propriedades mecânicas do MoS2 nanofitas, o que poderia facilitar o projeto de ressonadores mecânicos ultrafinos em nanoescala.

“Nanossensores baseados em tais ressonadores podem ser integrados em smartphones e relógios, o que permitirá às pessoas monitorar seu ambiente, bem como comunicar o sentido do paladar e do olfato na forma de valores numéricos”, conclui o palestrante Jiaqi Zhang.

Mais informações: Chunmeng Liu et al, Colagem mais rígida da borda da poltrona em nanofitas de dissulfeto de molibdênio de camada única, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202303477
Informações do diário: Ciência Avançada

Fornecido pelo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão</sub>