Les propriétés des bords des nanorubans sont importantes pour leurs applications dans les appareils électroniques, les capteurs et les catalyseurs. Un groupe de scientifiques du Japon et de Chine a étudié la réponse mécanique de nanorubans monocouches de bisulfure de molybdène avec des bords en fauteuil en utilisant la microscopie électronique à transmission in situ.
Ils ont montré que le module d'Young du nanoruban variait inversement avec sa largeur en dessous de la largeur de 3 nm, indiquant une rigidité de liaison plus élevée pour les bords du fauteuil. Leurs travaux, publiés dans la revue Advanced Science , a été co-écrit par le professeur agrégé Kenta Hongo et le professeur Ryo Maezono du JAIST et le conférencier Chunmeng Liu et le conférencier Jiaqi Zhang de l'Université de Zhengzhou, Chine.
Les capteurs sont devenus omniprésents dans le monde moderne, avec des applications allant de la détection d'explosifs à la mesure non invasive des pics physiologiques de glucose ou de cortisol à l'estimation des niveaux de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
La principale technologie requise pour les capteurs est un résonateur mécanique. Traditionnellement, les cristaux de quartz ont été utilisés à cette fin en raison de leur grande rigidité et de leur facilité de disponibilité. Cependant, cette technologie a récemment cédé la place aux nanomatériaux avancés. L'un de ces matériaux prometteurs est le bisulfure de molybdène à simple paroi (MoS2 ) nanoruban.
La caractérisation des propriétés physiques et chimiques des bords des nanorubans est cruciale pour leurs applications dans les dispositifs électroniques, les capteurs et les catalyseurs. Cependant, la réponse mécanique de MoS2 Les nanorubans, qui devraient dépendre de leur structure de bord, sont restés inexplorés, ce qui entrave leur mise en œuvre pratique dans des résonateurs minces.
Dans ce contexte, un groupe de scientifiques du Japon et de Chine, dirigé par le professeur Yoshifumi Oshima de l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon (JAIST), a étudié les propriétés mécaniques, à savoir le module d'Young, du MoS2
Le professeur Oshima déclare :« Nous avons développé la première méthode de mesure micromécanique au monde pour clarifier la relation entre l'arrangement atomique des matériaux à l'échelle atomique et leur résistance mécanique en incorporant un résonateur d'extension de longueur (LER) à base de quartz dans un électron de transmission in situ. titulaire de microscopie (TEM)."
Étant donné que la fréquence de résonance d'un résonateur à quartz change lorsqu'il détecte un contact avec un matériau, la constante de ressort équivalente du matériau peut être estimée avec une grande précision par la variation de cette fréquence de résonance. De plus, il est possible de capturer des images TEM haute résolution car l’amplitude de vibration LER nécessaire à la mesure est aussi petite que 27 pm. Par conséquent, la nouvelle méthode développée par les chercheurs a réussi à surmonter les inconvénients des techniques conventionnelles, en obtenant des mesures de haute précision.
Les chercheurs ont d'abord synthétisé un MoS2 monocouche nanoruban en décollant la couche la plus externe du bord plié d'un MoS2 multicouche à l'aide d'une pointe en tungstène. Le nanoruban monocouche était soutenu entre le multicouche et la pointe.
L'image TEM de ce MoS2 Le nanoribbon a révélé que son bord avait une structure de fauteuil. "La largeur et la longueur du nanoruban ont également été mesurées à partir de l'image, et la constante de ressort équivalente correspondante a été déterminée à partir du décalage de fréquence du LER pour obtenir le module d'Young de ce nanoruban", a déclaré le conférencier Chunmeng Liu.
Les chercheurs ont découvert que le module d'Young du MoS2 monocouche Les nanorubans avec bords de fauteuil dépendaient de leur largeur. Bien qu'elle soit restée constante autour de 166 GPa pour les rubans plus larges, elle a montré une relation inverse avec la largeur pour les rubans de moins de 3 nm de largeur, passant de 179 GPa à 215 GPa à mesure que la largeur du nanoruban diminuait de 2,4 nm à 1,1 nm. Les chercheurs ont attribué cela à une rigidité de liaison plus élevée pour les bords par rapport à celle de l'intérieur.
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité effectués par les chercheurs pour expliquer leur observation ont révélé que les atomes de Mo se sont déformés au bord du fauteuil, ce qui a entraîné un transfert d'électrons vers les atomes de S des deux côtés. Ceci, à son tour, a augmenté l'attraction coulombienne entre les deux atomes, améliorant ainsi la force des bords.
Cette étude apporte un éclairage important sur les propriétés mécaniques du MoS2 des nanorubans, qui pourraient faciliter la conception de résonateurs mécaniques ultra-minces à l'échelle nanométrique.
"Des nanocapteurs basés sur de tels résonateurs peuvent être intégrés dans des smartphones et des montres, ce qui permettra aux gens de surveiller leur environnement et de communiquer leurs sens du goût et de l'odorat sous forme de valeurs numériques", conclut le professeur Jiaqi Zhang.
Plus d'informations : Chunmeng Liu et al, Liaison plus rigide du bord du fauteuil dans des nanorubans monocouches de bisulfure de molybdène, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202303477
Informations sur le journal : Science avancée
Fourni par l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon
