Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université Brown ont découvert que les fils nanométriques (nanofils) faits de matériaux semi-conducteurs courants ont une anélasticité prononcée - ce qui signifie que les fils, lorsqu'il est plié, revenir lentement à leur forme d'origine plutôt que de revenir rapidement.

"Tous les matériaux ont un certain degré d'élasticité, mais il est généralement négligeable à l'échelle macroscopique, " dit Yong Zhu, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à NC State et auteur correspondant d'un article décrivant le travail. "Parce que les nanofils sont si petits, l'anélasticité est significative et facilement observable, même si ce fut une surprise totale lorsque nous avons découvert pour la première fois l'anélasticité dans les nanofils. » L'anélasticité a été découverte lorsque Zhu et ses étudiants étudiaient le comportement de flambement des nanofils.

"L'anélasticité est une propriété mécanique fondamentale des nanofils, et nous devons comprendre ce genre de comportements mécaniques si nous voulons incorporer des nanofils dans l'électronique ou d'autres appareils, " dit Elizabeth Dickey, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à NC State et co-auteur de l'article. Les nanofils sont prometteurs pour une utilisation dans une variété d'applications, y compris flexible, appareils électroniques extensibles et portables.

Les chercheurs ont travaillé avec des nanofils d'oxyde de zinc et de silicium, et a découvert que, lorsqu'ils étaient pliés, les nanofils reviendraient instantanément à plus de 80 % de leur forme d'origine, mais retournez le reste du chemin (jusqu'à 20 pour cent) lentement.

"Dans des nanofils d'environ 50 nanomètres de diamètre, cela peut prendre 20 ou 30 minutes pour qu'ils retrouvent les derniers 20 pour cent de leur forme d'origine, " dit Guangming Cheng, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Zhu et le premier auteur de l'article.

Le travail a été effectué à l'aide d'outils développés dans le groupe de Zhu qui ont permis à l'équipe de mener des expériences sur des nanofils alors qu'ils étaient dans un microscope électronique à balayage. Une analyse supplémentaire a été effectuée à l'aide d'un microscope électronique à transmission à balayage à correction d'aberration Titan dans l'installation d'instrumentation analytique de l'État NC.

Lorsqu'un matériau est plié, les liaisons entre les atomes sont étirées ou comprimées pour s'adapter à la flexion, mais dans les matériaux nanométriques, les atomes ont également le temps de se déplacer, ou diffuse, de la zone comprimée à la zone étirée du matériau. Si vous pensez au nanofil courbé comme une arche, les atomes se déplacent de l'intérieur de l'arc vers l'extérieur. Lorsque la tension dans le fil plié est relâchée, les atomes qui se sont simplement rapprochés ou éloignés l'un de l'autre se rétractent immédiatement ; c'est ce que nous appelons l'élasticité. Mais les atomes qui se sont complètement déplacés mettent du temps à revenir à leurs sites d'origine. Ce décalage temporel est une caractéristique de l'anélasticité.

"Ce phénomène est prononcé dans les nanofils. Par exemple, les nanofils d'oxyde de zinc ont présenté un comportement anélastique jusqu'à quatre ordres de grandeur supérieur à la plus grande anélasticité observée dans les matériaux en vrac, avec un temps de récupération de l'ordre de la minute, " dit Huajian Gao, professeur à l'Université Brown et co-auteur de l'article. La modélisation détaillée par le groupe de Gao indique que l'anélasticité prononcée des nanofils est due au fait qu'il est beaucoup plus facile pour les atomes de se déplacer à travers des matériaux nanométriques qu'à travers des matériaux en vrac. Et les atomes n'ont pas à voyager aussi loin. En outre, les nanofils peuvent être pliés beaucoup plus loin que les fils plus épais sans se déformer ou se casser de façon permanente.

"Un critique a commenté qu'il s'agissait d'une nouvelle page importante dans le livre sur la mécanique des nanostructures, ce qui était très flatteur à entendre, " dit Zhu. L'équipe prévoit d'explorer si cette anélasticité prononcée est commune à tous les matériaux et structures à l'échelle nanométrique. Ils veulent également évaluer comment cette caractéristique peut affecter d'autres propriétés, comme la conductivité électrique et le transport thermique.

Le papier, "Grande élasticité et dissipation d'énergie associée dans les nanofils monocristallins, " est publié en ligne dans la revue Nature Nanotechnologie .