Совместная исследовательская группа из США и Австралии акцентировала свое внимание на измерении механической нелинейности в наноразмерных системах. По мнению самих ученых, проведенная работа будет иметь важное значение с точки зрения понимания того, как нелинейность свойств подобных систем может ограничивать пределы использования наноустройств, таких как датчики на основе графена и т.п.

Группа ученых из California Institute of Technology (США) и University of Melbourne (Австралия) провела глубокое изучение нелинейных свойств наномеханических систем, состоящих из нити, «зажатой» с двух сторон, наподобие гитарной струны.

Аналогия с гитарной струной позволяет объяснить идею ученых, лежавшую в основе эксперимента. Когда музыкант касается струны, в первую очередь она «отвечает» на первой резонансной моде. Но есть и другие резонансные моды, известные как обертон. Тональность (частота), которую мы слышим, – это именно первая резонансная мода.

Но, если бы мы могли возбудить нужную нам резонансную моду, мы бы услышали эту гармонику.

Рис. 1. Исследованное учеными наноразмерное устройство, а также некоторые полученные результаты.

В идеальной линейной системе тональность звука всегда одинакова, вне зависимости от того, с какой силой музыкант воздействует на струну. В отличие от этой ситуации, в нелинейной системе тон может измениться, если воздействие на струну оказалось слишком сильным. Более того, существует режим, когда изменяется также и тон обертонов (по большей части из-за вибрации струны в первом резонансном режиме).

Такая нелинейность становится все более серьезным препятствием для ученых, особенно при сокращении устройств до наномасштабов (в предельном случае – до устройств, состоящих из одноатомного слоя графена или подобных ему материалов).

Продолжая аналогию с музыкой, обратимся к электрическим музыкальным инструментам, в которых звукосниматель преобразовывает механические колебания струны в электронный сигнал.

Если звукосниматель выдает измененную высоту тона, достаточно сложно понять, где именно в систему «добавляется» нелинейность: в струне или в самом звукоснимателе.

Если теперь вернуться к разговору о наноразмерных устройствах, большая часть предыдущих работ в этой области не акцентировала внимания на том, какая именно нелинейность была зафиксирована: нелинейность самого устройства или нелинейность применявшегося датчика. Чтобы избежать такой неточности, совместная группа ученых использовала в качестве «звукоснимателя» металлический тензодатчик с такими характеристиками, что область механической нелинейности исследуемого устройства попадает в линейную область датчика.

В результате им удалось измерить механическую нелинейность нанонити, зажатой с двух сторон, и найти хорошее согласование экспериментальных результатов с теорией Эйлера-Бернулли (описывающей подобные системы).

По мнению ученых,

понимание нелинейных свойств подобных систем в будущем поможет установить адекватные ограничения на применение тех или иных наномеханических устройств, в частности, на основе графена и ему подобных материалов.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nano Letters.