La miniaturisation est au cœur d'innombrables avancées technologiques. Il est indéniable qu'à mesure que les appareils et leurs blocs de construction deviennent plus petits, nous parvenons à débloquer de nouvelles fonctionnalités et à proposer des applications sans précédent. Cependant, avec de plus en plus de scientifiques qui se penchent sur les matériaux avec des structures à l'échelle atomique, les lacunes dans notre compréhension actuelle de la physique des nanomatériaux deviennent de plus en plus importantes.

Par exemple, la surface du nanomatériau représente l'une de ces lacunes dans les connaissances. En effet, l'influence des effets quantiques de surface devient beaucoup plus apparente lorsque le rapport surface/volume d'un matériau est élevé. Dans les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS), un sujet d'actualité en recherche, les propriétés physiques des nanomatériaux diffèrent grandement de leurs homologues massifs lorsque leur taille est réduite à quelques atomes. Une solide compréhension des propriétés mécaniques des nanofils et des nanocontacts, composants essentiels des NEMS, est essentielle pour faire progresser cette technologie. Mais les mesurer s'est avéré être une tâche difficile.

Dans ce contexte, une équipe de recherche japonaise a récemment réalisé un exploit sans précédent en réussissant à mesurer avec précision le module d'élasticité de nanocontacts d'or étirés jusqu'à quelques atomes. L'étude, publiée dans Physical Review Letters , était dirigée par le professeur Yoshifumi Oshima du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Le reste de l'équipe comprenait le chercheur postdoctoral Jiaqi Zhang et le professeur Masahiko Tomitori de JAIST, et le professeur Toyoko Arai de l'Université de Kanazawa.

Pour observer les nanocontacts d'or pendant qu'ils étaient étirés mécaniquement, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission (TEM) dans l'ultravide. Cela était essentiel pour s'assurer que la surface des nanocontacts restait parfaitement propre pendant les mesures. Pendant ce temps, pour mesurer avec précision le module de Young (une mesure de la rigidité) des nanocontacts, l'équipe a eu recours à une technique innovante qu'elle avait précédemment développée. Ils ont placé un résonateur à extension de longueur à quartz (LER) dans un support TEM et y ont attaché un côté du nanocontact. Dans leur configuration, la fréquence de résonance a changé en fonction de la "constante de ressort équivalente" du nanocontact en or, qui est liée au module de Young du matériau. "Grâce à notre approche, que nous avons baptisée "méthode de mesure de la nanomécanique", nous pouvons mesurer avec précision la constante d'élasticité équivalente d'un nanomatériau tout en l'observant simultanément à l'aide de TEM et en mesurant sa conductivité électrique", explique le professeur Oshima.

Grâce à cette stratégie, les chercheurs ont expérimenté des nanocontacts d'or qu'ils ont progressivement étirés sans les casser. Ils ont observé comment les atomes individuels se réorganisaient en nouvelles couches à mesure que chaque nanocontact était étiré et ont calculé comment le module de Young changeait en fonction de sa taille. Alors que le module d'Young de l'intérieur des nanocontacts était égal à celui de l'or massif (90 GPa), celui de la surface des nanocontacts s'est avéré n'être que de 22 GPa.

Grâce à ces connaissances, l'équipe a démontré que la résistance globale des nanocontacts d'or est régie par la douceur de leur couche de surface la plus externe. "Nos découvertes clarifient pourquoi la résistance d'un nanomatériau diffère de celle des cristaux massifs en fonction de sa taille, et notre approche nous permet d'estimer le module de Young de tout type d'or nanométrique", remarque le professeur Oshima. "Plus particulièrement, nos résultats fournissent des lignes directrices appropriées pour la conception et le développement de nanofils et de nanofeuilles pour NEMS. Cela pourrait ouvrir la porte à des capteurs de pression, de gaz et de son prometteurs, entre autres applications", ajoute-t-il.

Outre le NEMS, l'équipe s'attend à ce que leurs résultats, ainsi que leur méthode de mesure, puissent avoir des implications potentielles pour la chimie puisque les réactions chimiques dépendent non seulement de la structure ou de l'état électronique du catalyseur, mais également des vibrations à l'échelle atomique à sa surface. Comme ces vibrations atomiques sont liées à la résistance de surface du matériau, il est possible que la méthodologie proposée puisse nous aider à trouver de nouvelles façons de contrôler les réactions chimiques. + Explorer plus loin

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