Группа ученых из США сделала замечательное открытие относительно того, как нанокристаллы железа движутся через углеродные нанотрубки, имеющие переменный диаметр. В рамках эксперимента они обнаружили, что при встрече с сужением в нанотрубке нанокристалл изменяет свою форму атом за атомом, чтобы пройти через это сужение, без какого-либо внешнего воздействия, которое могло бы вызвать плавление или деформацию сжатия.

По словам ученых,

такое поведение может иметь множество практических применений, в частности, в наномеханике. К примеру, явление может использоваться для синтеза небольших наночастиц.

Предыдущие исследования уже показали, что металлически нанокристаллы могут проходить через углеродные нанотрубки под воздействием внешнего напряжения, приложенного к этой трубке. Кристаллы перемещаются в направлении потока электронов. При этом направление их движения может быть легко изменено простым переключением полярности, а скорость перемещения зависит от величины тока.

Это явление наблюдалось для многих металлических кристаллов, в том числе для медных и вольфрамовых, а также кристаллов из галлия. Оно представляет интерес для развития наноразмерных механических приводов, а также устройств памяти.

Ранее большинство углеродных нанотрубок, использовавшихся для изучения этой «миграции» нанокристаллов, были гладкими с постоянным внутренним диаметром (естественно, полые внутри). Предполагалось, что если по какой-то причине нанотрубка имеет сужение (т.е. ее диаметр меньше диаметра нанокристалла, проходящего через трубку), кристалл будет заблокирован внутри нанотрубки до тех пор, пока не расплавится. Однако группа ученых из University of California и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) обнаружила совсем другое поведение.

Металлические кристаллы, оставаясь твердыми (т.е. продолжая быть именно кристаллами), так или иначе, проскальзывали через узкий проход, не демонстрируя при этом никаких признаков деформации. Как оказалось, команда обнаружила процесс реконструкции кристалла на атомарном уровне. Наблюдалось это явление с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. Дополнительно с помощью наблюдения дифракционной картины электронов было подтверждено, что кристаллы не расплавились и не испытывали сжатия.

В своем эксперименте команда использовала углеродные нанотрубки, имеющие внутренний диаметр 20 нм, наполненные железными нанокристаллами. В середине нанотрубок создавалось искусственное сужение, где их диаметр составлял примерно 5 нм. При условии приложения к нанотрубке внешнего напряжения, через это сужение проходил нанокристалл гораздо большего диаметра.

Ученые считают, что теория реконструкции кристалла атом за атомом – единственный способ объяснения подобного транспорта. Связана эта реконструкция с контактом поверхности кристалла и нанотрубки в области сужения. Благодаря этому взаимодействию, атомы кристалла, находящиеся до сужения, постепенно диффундируют вперед.

Интересно, что теория ученых не предполагает зависимости этого механизма от площади сечения или температуры углеродной нанотрубки.

Как считают коллеги ученых, обнаруженный тип самосборки объектов атомарного масштаба может быть полезен для синтеза некоторых металлических нанокристаллов внутри углеродных нанотрубок, а также очистки их от примесей. В частности, можно было бы избавляться от примесей в нанокристаллах, за счет меньшей скорости диффузии их атомов.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.