Неожиданное открытие показало, что крошечные частицы обладают гибкой внутренней структурой, словно капли жидкости.

Удивительный феномен был открыт в металлических наночастицах: снаружи они предстают в виде капель, колеблющихся и готовых изменять форму, в то время как изнутри сохраняют совершенно стабильную кристаллическую структуру.

Группа ученых во главе с профессором Массачусетского технологического института (MIT) Чжу Ли сообщила, что результаты могут оказаться важными в деле разработки компонентов в нанотехнологиях, таких как металлические контакты для молекулярных электронных микросхем.

Результаты, опубликованные в издании Nature Materials, получены в результате комбинации лабораторного анализа и компьютерного моделирования международной командой, включающей исследователей из Китая, Японии и Питсбурга, а также MIT.

Эксперименты проводились при комнатной температуре с частицами чистого серебра менее 10 нанометров в поперечнике, что в 1000 и более раз меньше толщины человеческого волоса. При этом результаты должны сохраниться для множества металлов, сообщил профессор Ли. Серебро обладает относительно высокой температурой плавления — 962 градуса по Цельсию или 1763 по Фаренгейту, а потому столь необычное поведение его наночастиц стало настоящим сюрпризом, отметил Ли. Признаки нового феномена ранее наблюдались в экспериментах с оловом, которое обладает значительно более низкой точкой плавления.

Применение наночастиц во многих сферах, от электричества до фармацевтики — насущная область исследований. В целом ученые хотят получить формы, причем формы, которые остаются стабильными на многие годы. А потому открытие данных деформаций демонстрирует потенциально значимый барьер к подобным разработкам. К примеру, если серебряные или золотые наносвязки используются в электронных микросхемах, деформации могут привести к сбою подключения.

Ученые детализировали изображения с помощью трансмиссионного электронного микроскопа и атомное моделирование показало, что хотя внешне металлические наночастицы двигаются как жидкость, перемещаются в данный момент времени лишь самые внешние слои, толщиной 1–2 атома

И хотя это выглядит как свободное перемещение, на самом деле атомы слоя перемещались упорядоченно, как кирпичики в стене.

«Строение кристаллическое, а потому мобильные слои — только первый и второй», сообщил Ли. „Кристаллическое все кроме первых двух слоев“.

В случае с каплями жидкости во время таяния кристаллическая структура разрушается полностью, как если бы кирпичная стена развалилась по кирпичику.

Технически деформация частиц является псевдоупругой, а это значит, что материал принимает прежнюю форму после устранения воздействия на него, то есть как резиновый мяч, в противоположность пластичности, то есть способности материала принимать и сохранять новую форму, как демонстрирует глина или пластилин.

Явление пластичности межфазной диффузией сначала было предложено профессором Робертом Коблом из MIT.

И вот теперь, когда феномен описан и понятен, ученые, разрабатывающие наносхемы или другие наноустройства, могут легко его компенсировать. Если наночастицы защитить даже тонким слоем оксида, жидкоподобное поведение удастся полностью устранить и изготовить совершенно стабильные микросхемы.

С другой стороны, для некоторых областей феномен может оказаться полезным. Например, в микросхемах, в которых электрические контакты вынуждены противостоять вращательной реконфигурации. Частицы, созданные для усиления эффекта, могут сослужить добрую службу в случае использования благородных металлов или уменьшения атмосфер, когда дестабилизируется формирование оксидного слоя.

Новое открытие бросает вызов ожиданиям, частично из-за хорошо понятных отношений в большинстве материалов, в которых с сокращением размера возрастает механическая прочность.

«Чем меньше размер, тем выше прочность», согласен Ли. „Однако в случае с самыми маленькими размерами материальный компонент может стать слабее. И переход от „чем меньше, тем прочнее“ к „чем меньше, тем слабее“ может оказаться весьма острым“.

Этот переход имеет место в размерах порядка 10 нанометров при комнатной температуре. Именно к такому размеру стремятся производители микрочипов, поскольку размеры микросхем становятся все меньше. Как только порог пройдет, прочность нанокомпонента существенно падает. Результаты могут также помочь объяснить множество аномальных результатов, замеченных в других исследованиях маленьких частиц, добавил Ли.