«Все материалы обладают некоторой степенью неэластичности, но она обычно незначительна в макроскопическом масштабе», — говорит Юн Чжу, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина и автор статьи, описывающей работу. «Поскольку нанопроволоки такие маленькие, неэластичность значительна, и ее легко наблюдать, хотя это было полной неожиданностью, когда мы впервые обнаружили неэластичность в нанопроволоках."Неэластичность была обнаружена, когда Чжу и его ученики изучали поведение нанопроволок при изгибе.
«Неэластичность является фундаментальным механическим свойством нанопроволок, и нам необходимо понимать такое механическое поведение, если мы хотим внедрить нанопровода в электронику или другие устройства», — говорит Элизабет Дики, профессор материаловедения и инженерии в NC State, и соавторы. автор статьи. Нанопроволоки обещают использовать в различных приложениях, включая гибкие, растягиваемые и носимые электронные устройства.
Исследователи работали как с оксидом цинка, так и с кремниевыми нанопроводами и обнаружили, что при изгибе нанопроволоки мгновенно возвращают более 80 процентов пути к своей исходной форме, но возвращают остальную часть пути (до 20 процентов). медленно.
«В нанопроводах диаметром примерно 50 нанометров им может потребоваться 20 или 30 минут, чтобы восстановить последние 20 процентов своей первоначальной формы», — говорит Гуанмин Ченг, доктор философии.D. студент лаборатории Чжу и первый автор статьи.
Работа была выполнена с использованием инструментов, разработанных в группе Чжу, которые позволили команде проводить эксперименты с нанопроволоками, пока они находились в сканирующем электронном микроскопе. Дополнительный анализ был проведен с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с коррекцией аберраций Titan в аналитическом центре NC State.
Когда любой материал изгибается, связи между атомами растягиваются или сжимаются, чтобы приспособиться к изгибу, но в наноразмерных материалах есть время для атомов также перемещаться или диффундировать из сжатой области в растянутую область в материале. Если представить изогнутую нанопроволоку как арку, атомы движутся изнутри дуги наружу. Когда напряжение в изогнутой проволоке снимается, атомы, которые просто переместились ближе или дальше друг от друга, немедленно отрываются; это то, что мы называем эластичностью. Но атомам, которые вообще сместились, требуется время, чтобы вернуться на свои исходные места.
Это отставание по времени является характеристикой неупругости.
«Это явление ярко выражено в нанопроводах. Например, нанопроволоки из оксида цинка демонстрируют неупругое поведение, которое на четыре порядка превышает максимальную неэластичность, наблюдаемую в объемных материалах, с временем восстановления порядка минут », — говорит Хуацзянь Гао, профессор Университета Брауна и соавтор-корреспондент статьи. Детальное моделирование, проведенное группой Гао, показывает, что ярко выраженная неэластичность в нанопроволоках объясняется тем, что атомам намного легче перемещаться через наноразмерные материалы, чем через объемные материалы.
И атомам не нужно путешествовать так далеко. Кроме того, нанопроволоки можно согнуть гораздо дальше, чем более толстые, без постоянной деформации или разрушения.
«Рецензент прокомментировал, что это новая важная страница в книге по механике наноструктур, и это было очень приятно слышать», — говорит Чжу. Команда планирует выяснить, является ли эта выраженная неэластичность характерной для наноразмерных материалов и структур.
Они также хотят оценить, как эта характеристика может повлиять на другие свойства, такие как электропроводность и теплоперенос.