Figure 1. Méthode de mesure nanomécanique microscopique (à gauche). Illustration schématique de la technique. La rigidité des nanomatériaux tels que les chaînes atomiques de platine (Pt) peut être mesurée à l'aide d'un résonateur à extension de longueur (LER) fabriqué avec un cristal de quartz. La structure atomique de la chaîne peut être observée à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET). Nous avons constaté que la force de liaison atomique dans les chaînes monoatomiques Pt est de 25 N/m, qui est supérieure à la valeur en vrac (20 N/m). (à droite) Images MET expérimentales et simulées d'une chaîne de Pt monoatomique et évolution temporelle de sa conductance électrique et de sa rigidité pendant l'étirement. La contrainte maximale était de 24 % en moyenne.
Matériaux de faible dimension, telles que les chaînes monoatomiques 1D, présentent des propriétés exotiques qui pourraient trouver des applications intéressantes. Cependant, les liaisons mono-atomiques et leurs caractéristiques mécaniques sont difficiles à étudier. Dans une étude récente, scientifiques de JAIST, Japon, présenter une nouvelle méthode pour imager simultanément des chaînes de platine monoatomiques avec un microscope électronique à transmission tout en mesurant leur force de liaison et leur conductance pendant l'étirement mécanique. Cette technique permettra de répondre à de nombreuses questions dans les domaines de la nanomécanique et de la science des surfaces.
Aujourd'hui, de nombreux domaines des matériaux bien étudiés tels que l'électronique et la catalyse sont sur le point d'atteindre leurs limites pratiques. Pour améliorer encore la technologie moderne et surpasser les appareils de pointe, les chercheurs à la recherche de nouveaux matériaux fonctionnels doivent repousser les limites et explorer des cas plus extrêmes. Un exemple clair en est l'étude des matériaux de faible dimension, tels que les couches monoatomiques (matériaux 2D) et les chaînes monoatomiques (matériaux 1D).
Il a été prouvé à maintes reprises que les matériaux de faible dimension présentent des propriétés exotiques qui sont absentes de leurs homologues en vrac 3D. Par exemple, les chaînes monoatomiques de métaux comme l'or et le platine (Pt) peuvent présenter la contribution de certains phénomènes quantiques, comme l'ordre magnétique ou le transport thermique, d'une manière qui pourrait trouver des applications pratiques. Cependant, il est très difficile d'observer expérimentalement ce qui se passe dans les chaînes monoatomiques composées de cinq atomes ou moins, et les propriétés mécaniques des liaisons à un seul atome restent insaisissables.
Pour s'attaquer à ce problème, un groupe de recherche dirigé par le professeur Yoshifumi Oshima du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japon, est le pionnier d'une technique nouvelle et prometteuse pour mesurer la force des liaisons atomiques individuelles. Leur dernière étude, qui a été publié dans Lettres nano et ont présenté leur stratégie, chercheurs impliqués de JAIST (Dr Zhang, Dr Ishizuka, Pr Tomitori, Prof. Maezono et Prof. Hongo), ainsi que le professeur Arai de l'Université de Kanazawa et le professeur Tosatti de l'École internationale d'études avancées (SISSA) et du Centre international Abdus Salam de physique théorique (ICTP).
Cette nouvelle technique, qu'Oshima a nommé la "méthode de mesure nanomécanique microscopique, " combine la microscopie électronique à transmission (MET) avec un résonateur à quartz à extension de longueur (LER). Le TEM est une technique d'imagerie largement utilisée avec une résolution spatiale incroyablement élevée - assez pour distinguer des atomes individuels - alors que le LER est un appareil qui peut osciller à une vitesse incroyablement élevée. de petites amplitudes de quelques dizaines de billionièmes de mètre et sert de capteur de force.
Les chercheurs ont conçu une configuration expérimentale dans laquelle une petite jonction Pt a été étirée jusqu'à son point de rupture absolu, C'est, lorsque les deux morceaux de Pt étaient liés par une chaîne monoatomique de deux à cinq atomes. En alignant soigneusement les pièces dans le TEM, ils ont observé la formation et la rupture des chaînes de Pt monoatomiques en temps réel. De plus, à l'aide du LER à quartz, ils ont mesuré la conductance à travers la chaîne et sa rigidité, à partir de laquelle la force des obligations Pt individuelles a été calculée avec succès. "Nous avons trouvé que la force de liaison de 25 N/m dans les chaînes de Pt monoatomiques était remarquablement élevée, surtout par rapport aux 20 N/m normalement trouvés dans les cristaux de Pt en vrac, " commente Zhang. " De plus, ces liaisons à un seul atome pourraient être étirées à environ 24% de leur distance régulière, contrairement aux 5% que les liaisons entre les atomes de Pt en vrac peuvent être étirées, " il ajoute.
Les résultats de l'étude mettent en évidence le potentiel de cette nouvelle technique pour sonder les liaisons de chaînes monoatomiques, ce qui pourrait conduire à une meilleure compréhension des interfaces ou des surfaces des matériaux de faible dimension. "Notre méthode pourrait grandement contribuer à la conception de matériaux et de catalyseurs avancés ainsi qu'éclairer les phénomènes nanométriques en termes de nanomécanique de surface ou d'interface, " souligne Oshima. À son tour, des matériaux plus sophistiqués et une meilleure compréhension de leurs propriétés de surface feront sans aucun doute progresser les domaines de l'électronique, chimie, et nanotechnologie, ouvrant la voie à des conceptions innovantes et, espérons-le, durables.
Il est très probable que l'expression « ne tenir qu'à un fil » aura bientôt un sens plus positif dans la science des nanomatériaux.
