Naukowcy z Japonii i Chin przeprowadzili badania dotyczące właściwości mechanicznych nanotasmek jednowarstwowych molibdenodisulfidu (MoS2) o kształcie krawędzi w kształcie krzesła. Zespół użył transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ do zbadania modułu Younga nanotasmek w zależności od ich szerokości.

Naukowcy stwierdzili, że moduł Younga nanotasmek jest odwrotnie proporcjonalny do ich szerokości, przy czym większą sztywność wiązań zaobserwowano na krawędziach w kształcie krzesła. Odkrycia te, opublikowane w czasopiśmie „Advanced Science”, przyczyniają się do lepszego zrozumienia odpowiedzi mechanicznej nanotasmek, co jest kluczowe dla ich zastosowania w urządzeniach elektronicznych, sensorach i katalizatorach.

Tradycyjnie jako rezonatory mechaniczne w technologii czujników stosowano kryształy kwarcu. Jednak rośnie zainteresowanie zaawansowanymi materiałami nanometrycznymi, takimi jak jednowarstwowe nanotaski MoS2, ze względu na ich potencjał jako cienkie rezonatory. Zrozumienie właściwości fizycznych i chemicznych krawędzi nanotasmek jest kluczowe dla ich praktycznego zastosowania w tych urządzeniach.

Aby zmierzyć właściwości mechaniczne nanotasmek, naukowcy opracowali nowoczesną metodę pomiaru mikromechanicznego, która obejmuje rezonator długościowej ekstensji (LER) oparty na kwarcu na płytkach mikroskopu elektronowego TEM. Metoda ta umożliwiła wysoką precyzję pomiarów, estymując równoważną stałą elastyczną nanotasmek na podstawie zmiany częstotliwości rezonansu LER.

Poprzez odłuszczenie najbardziej zewnętrznej warstwy mozaiki MoS2 za pomocą igły z wolframu naukowcy uzyskali jednowarstwową nanotaskę MoS2 o kształcie krawędzi w kształcie krzesła. Określili szerokość i długość nanotaski na podstawie obrazów TEM i użyli zmiany częstotliwości LER do obliczenia modułu Younga.

Badanie wykazało, że moduł Younga nanotasmek różni się w zależności od ich szerokości. Dla szerszych taśm moduł pozostawał stały, podczas gdy dla węższych taśm o szerokości poniżej 3 nm wzrastał wraz ze zmniejszaniem szerokości. Naukowcy przypisali to większej sztywności wiązań na krawędziach w porównaniu do wnętrza.

Obliczenia wykonane przy użyciu teorii funkcjonału gęstości potwierdziły ich obserwacje, wskazując, że struktura krawędzi w kształcie krzesła nanotasmek prowadzi do zwiększenia wytrzymałości na krawędziach poprzez zginanie atomów molibdenu i transfer elektronowy do atomów siarki.

Zrozumienie właściwości mechanicznych nanotasmek MoS2 ma ważne implikacje dla projektowania rezonatorów mechanicznych na nanometrową i ultracienką skalę. Odkrycia te mogą otworzyć drogę do rozwoju nanoczujników zintegrowanych w codziennych urządzeniach, takich jak smartfony i zegarki, co umożliwi monitorowanie otoczenia w czasie rzeczywistym oraz dostarczanie wartości liczbowych dla zmysłów smaku i węchu.

Źródło: Liu, C., et al. (2023). „Stiffer Bonding of Armchair Edge in Single‐Layer Molybdenum Disulfide Nanoribbons.” Advanced Science. DOI: 10.1002/advs.202303477