Бразильские исследователи наблюдали и описали самую маленькую из известных нанотрубку, имеющую квадратное сечение. Структура образовалась неожиданно и внезапно при растяжении серебряной нанопроволоки и, сама по себе является хорошим напоминанием о том, что ученым еще многое предстоит увидеть в наномире.

Исследования поверхностных энергетических эффектов в наночастицах, в ходе которых наблюдали столь малую нанотрубку (см. рис), проводили ученые из двух научно-исследовательских организаций: Laboratorio Nacional de Luz Sıncrotron и Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP.

В случае наноструктур поверхностная энергия имеет большое значение, поскольку она взаимодействует с очень малым количеством материи. Ученые предполагают, что смогут увидеть определенное поведение атомов, такие например, как самораспределение атомов в порядке, соответствующем поверхностной энергии. Исследования бразильских физиков показали, что при приложении определенных видов механических напряжений, можно наблюдать неожиданные явления.

По мнению руководителя работ Даниеля Угарте (Daniel Ugarte) эксперимент в случаях столь мало изученных объектов имеет очень важное значение, поскольку подтверждает или опровергает знания, накопленные на сегодня прежде всего теоретическим путем и не поддержанные лабораторными исследованиями.

Экспериментаторы наблюдали такие структуры, которые были совершенно неожиданны даже для них, которые работают в области напряжений в нанопроволоке и экспериментально и теоретически уже более 10 лет. Результаты рботы опубликованы в одном из последних номеров интернет-журнала Nanotechnology (M. J. Lagos, F. Sato, J. Bettini, V. Rodrigues, D. S. Galvao and D. Ugarte Nature advance online publication 25 January 2009, DOI: 10.1038/nnano.2008.414) и в журнале Nature.

Естественное серебро имеет гранецентрированную структуру атомов, где элементарная ячейка представляет собой кристалл кубической сингонии с атомами в каждой из вершин куба и одним атомом в центре куба. Таким образом, ученые предполагали, что нанопроволока из серебра также должна быть монолитной и не иметь полостей и иметь квадратное поперечное сечение. Перед началом экспериментов по приложению растягивающих напряжений такая структура была подтверждена экспериментальным путем.

Эксперименты же показали следующее: при механическом удлиннении проволок в продолжение периода времени порядка 10 секунд – что сравнительно короткое время для завершения механической деформации – атомы смещались. После 3,6 с монолитные серебряные стержни превращались в полые структуры со стороной, равной длине одной ячейки, что меньше 1 нм. После 10 с растяжения проволоки утоньшались до поперечных размеров в один атом, а затем разрушались.

Исследователи, для прецизионного анализа процесса, использовали ряд подходов, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения и компьютерное моделирование. В дополнение, помимо возможности отслеживать конкретные изменения во время растяжения, ученые использовали теоретические приближения. Они, предположив, что проволоки имеют большую прочность на разрыв, выдерживая большие нагрузки вплоть до образования полой структуры, также предположили, что на финальной стадии требуется лишь очень небольшое увеличение нагрузки для ее разрушения.

Полученные результаты, по мнению авторов, показывают роль физики поверхности при исследовании наносистем, а также непредсказуемость форм и их динамики, которые могут быть образованы при приложении нагрузки. Следующим шагом должно быть измерение действующих сил и ассоциирование их с происходящими атомными превращениями.

Евгений Биргер