La première mesure directe de résistance à la flexion dans une membrane nanométrique a été réalisée par des scientifiques de l'Université de Chicago, Université de Pékin, l'Institut des sciences Weizmann et le Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie (DOE).

Leurs recherches offrent aux chercheurs une nouvelle méthode plus simple pour mesurer la résistance des nanomatériaux à la flexion et à l'étirement, et ouvre de nouvelles possibilités pour créer des objets et des machines de taille nanométrique en contrôlant et en adaptant cette résistance. (Un nanomètre est un milliardième de mètre, à peu près aussi longtemps que vos ongles poussent en une seconde.)

L'équipe de recherche a travaillé avec une nanomembrane d'or. "C'est comme une feuille de papier, seulement dix mille fois plus mince, " a déclaré Heinrich Jaeger de l'Université de Chicago. " Si vous faites glisser un morceau de papier sur le bord d'une table, il se penche. La nanomembrane d'or se comporte de la même manière, mais il est cent fois plus rigide que le papier s'il est mis à l'échelle à la même épaisseur, cent fois plus résistant à la flexion.

"Les chercheurs du monde entier cherchent des moyens de manipuler des nanomatériaux ultrafins en objets tridimensionnels stables, " Jaeger a déclaré. "Le défi est de savoir comment transformer un film bidimensionnel en une forme tridimensionnelle lorsque le film est si fin et flexible. C'est comme le nano-origami :comment faire en sorte qu'il garde une forme stable ? Vous avez besoin de quelque chose de plus rigide que prévu. Il s'avère que de nombreuses nanomembranes peuvent déjà posséder cette propriété."

"Nous avons été surpris de constater que la nanomembrane d'or était plus de cent fois plus résistante à la flexion que nous ne l'avions prévu, basé sur la théorie de l'élasticité standard et notre expérience avec les feuilles minces, comme le papier, " dit Xiao-Min Lin, qui a fabriqué les nanoparticules d'or dans des installations spécialisées du Center for Nanoscale Materials, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science située à Argonne. "Nous pensons que cela est lié à la structure interne de la membrane. La membrane n'a qu'une nanoparticule d'épaisseur, c'est donc essentiellement toute la surface avec très peu de volume intérieur. Un désordre structurel mineur le long de sa surface augmenterait considérablement sa résistance à la flexion. Nous pensons également que l'emballage moléculaire entre les nanoparticules pourrait fortement affecter sa capacité à se plier. »

Une nouvelle méthode pour créer des membranes d'or qui s'enroulent en rouleaux de taille nanométrique et une nouvelle technique pour mesurer la résistance du rouleau à la flexion étaient essentielles à la découverte de l'équipe. Les deux ont été développés par Yifan Wang de l'Université de Chicago en utilisant les installations du CNM.

Les nanoscrolls d'or ont été auto-assemblés en suspendant un fluide contenant des nanoparticules d'or sur un écran de carbone. Au fur et à mesure que le fluide séchait, il a laissé une membrane d'or suspendue comme une nano-tête de tambour à travers les trous circulaires de l'écran. Alors que les membranes continuaient à sécher et à se resserrer, un bord détaché de l'écran, et la membrane s'est spontanément enroulée pour former un tube creux.

"Il existe de nombreuses façons de fabriquer des tubes de nanoparticules, " dit Wang, "mais ils impliquent des choses comme l'exposition des membranes à des faisceaux d'électrons, qui peut altérer les propriétés physiques, comme leur résistance à la flexion et à l'étirement - les mêmes choses que nous voulions mesurer. Nous avions besoin d'un moyen non invasif de fabriquer des tubes à nanoparticules sans modifier ces propriétés. »

L'équipe a découvert que la résistance d'une nanomembrane à la flexion et à l'étirement peut être calculée à partir d'une seule expérience utilisant la microscopie à force atomique pour mesurer la résistance à la flexion le long d'une membrane monocouche qui a été enroulée dans un cylindre creux. (La microscopie à force atomique utilise une sonde physique pour mesurer des détails de surface aussi petits qu'une fraction de nanomètre.) Les méthodes précédentes nécessitaient deux expériences distinctes sur des membranes à l'échelle nanométrique, l'une pour mesurer la résistance à l'étirement et l'autre pour mesurer la résistance à la flexion.

"La réponse du tube aux petites indentations locales est une signature de contributions à la fois à la flexion et à l'étirement, " a déclaré Wang. " En conséquence, un seul ensemble de mesures de la résistance à l'indentation le long du tube permet d'accéder directement à son module de flexion et à son module d'étirement, paramètres clés nécessaires pour calculer la résistance à la flexion et à l'étirement."

Étant donné que la mesure est basée uniquement sur la théorie de l'élasticité et la géométrie du tube, Wang a expliqué, il devrait avoir une applicabilité générale sur une large gamme de matériaux et d'échelles de taille, des nano- et microtubules aux objets véritablement macroscopiques.

"Les feuilles ultrafines d'une seule nanoparticule ont des propriétés mécaniques uniques, " a déclaré Wang. " Cette expérience fournit une nouvelle entrée pour le contrôle indépendant de la résistance à la flexion et à l'étirement à l'échelle nanométrique. Il devrait être possible d'adapter les paramètres de flexion et d'étirement et de développer de nouveaux nanomatériaux et nano-objets dotés de propriétés spécifiques souhaitables."