El estudio explora las propiedades mecánicas de las nanocintas de disulfuro de molibdeno con bordes de sillón.

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Propiedades mecánicas del MoS de una sola capa.2 Las nanocintas se examinaron utilizando un nuevo método de medición micromecánico. Leyenda de la imagen: (Arriba a la izquierda) Ilustración que muestra el proceso de contacto de una punta de tungsteno (W) con una punta de MoS2 Multicapa y exfoliación de la capa única exterior MoS.2 nanocinta. (Abajo a la izquierda) Imagen TEM de monocapa de MoS2 La nanocinta se observó desde la sección transversal y desde el plano. (Centro) Esquema del experimento TEM in situ en la nanocinta con bordes de sillón y (derecha) Módulo de Young de la nanocinta en función de su ancho. Crédito: Yoshifumi Oshima de JAIST

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Propiedades mecánicas del MoS de una sola capa.2 Las nanocintas se examinaron utilizando un nuevo método de medición micromecánico. Leyenda de la imagen: (Arriba a la izquierda) Ilustración que muestra el proceso de contacto de una punta de tungsteno (W) con una punta de MoS2 Multicapa y exfoliación de la capa única exterior MoS.2 nanocinta. (Abajo a la izquierda) Imagen TEM de monocapa de MoS2 La nanocinta se observó desde la sección transversal y desde el plano. (Centro) Esquema del experimento TEM in situ en la nanocinta con bordes de sillón y (derecha) Módulo de Young de la nanocinta en función de su ancho. Crédito: Yoshifumi Oshima de JAIST

Las propiedades de los bordes de las nanocintas son importantes para sus aplicaciones en dispositivos electrónicos, sensores y catalizadores. Un grupo de científicos de Japón y China estudió la respuesta mecánica de nanocintas de disulfuro de molibdeno de una sola capa con bordes de sillón utilizando microscopía electrónica de transmisión in situ.

Demostraron que el módulo de Young de la nanocinta varía inversamente con su ancho por debajo de un ancho de 3 nm, lo que indica una mayor dureza de los bordes del sillón. su trabajo, Publicado en la revista ciencia avanzadaen coautoría del profesor asociado Kenta Hongo y el profesor Ryo Mizuno de JAIST, el profesor Chunmeng Liu y el profesor Jiaqi Zhang de la Universidad de Zhengzhou, China.

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Los sensores se han vuelto omnipresentes en el mundo moderno, con aplicaciones que van desde la detección de explosivos hasta la medición no invasiva de elevaciones fisiológicas de glucosa o cortisol y la estimación de niveles de gases de efecto invernadero en la atmósfera.

La tecnología básica necesaria para los sensores es un resonador mecánico. Tradicionalmente se han utilizado cristales de cuarzo para este fin debido a su alta dureza y fácil disponibilidad. Sin embargo, esta tecnología ha dado paso recientemente a los nanomateriales avanzados. Uno de esos materiales prometedores es el disulfuro de molibdeno de pared simple (MoS2) Nanoribuna.

Caracterizar las propiedades físicas y químicas de los bordes de las nanocintas es crucial para sus aplicaciones en dispositivos electrónicos, sensores y catalizadores. Sin embargo, la respuesta mecánica de MoS2 Las nanocintas, que se espera que dependan de su estructura de borde, permanecen inexploradas, lo que dificulta su implementación práctica en resonadores delgados.

En este contexto, un grupo de científicos de Japón y China, dirigido por el profesor Yoshifumi Oshima del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), estudió las propiedades mecánicas, es decir, el módulo de Young, de una sola capa de MoS.2 Nanocintas con bordes de sillón en función de su ancho mediante un método de medición micromecánico.

«Hemos desarrollado el primer método de medición micromecánica del mundo para dilucidar la relación entre la disposición atómica de materiales de tamaño atómico y su resistencia mecánica mediante la integración de un resonador de extensión de longitud (LER) a base de cuarzo en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) in situ. » dice el profesor Oshima. »

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Dado que la frecuencia de resonancia de un resonador de cuarzo cambia cuando detecta el contacto con un material, la constante elástica equivalente del material se puede estimar con gran precisión a partir del cambio en esta frecuencia de resonancia. Además, es posible capturar imágenes TEM de alta resolución porque la amplitud de vibración del LER necesaria para la medición es tan pequeña como 27 pM. Así, el nuevo método desarrollado por los investigadores pudo superar las desventajas de las técnicas tradicionales y logró mediciones de alta precisión.

Los investigadores ensamblaron por primera vez MoS monocapa2 nanocinta despegando la capa exterior del borde doblado de MoS2 Multicapa utilizando punta de tungsteno. La nanocinta monocapa se apoyó entre la multicapa y la punta.

Imagen TEM de este MoS2 La nanocinta reveló que su borde tenía una estructura de sillón. «El ancho y la longitud de la nanocinta también se midieron a partir de la imagen, y la constante de resorte equivalente correspondiente se determinó a partir del cambio de frecuencia del LER para obtener el módulo de Young de esta nanocinta», dijo el profesor Chunming Liu.

Los investigadores descubrieron que el módulo de Young del MoS de una sola capa2 Las nanocintas del borde de la silla dependían de su ancho. Si bien permaneció constante en alrededor de 166 GPa para las cintas más anchas, mostró una relación inversa con el ancho de las cintas de menos de 3 nm de ancho, aumentando de 179 GPa a 215 GPa a medida que el ancho de la nanocinta disminuyó de 2,4 nm a 1,1 nm. Los investigadores atribuyeron esto a la mayor rigidez de unión de los bordes en comparación con el interior.

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Los cálculos de la teoría del funcional de densidad que los investigadores realizaron para explicar su observación revelaron que los átomos de Mo estaban doblados en el borde de la silla, lo que resultaba en una transferencia de electrones a los átomos de S en ambos lados. Esto, a su vez, aumentó la atracción de Coulombic entre los dos átomos, lo que llevó a una mayor resistencia de los bordes.

Este estudio arroja luz importante sobre las propiedades mecánicas del MoS.2 nanocintas, que podrían facilitar el diseño de resonadores mecánicos ultrafinos a nanoescala.

«Los nanosensores basados ​​en estos resonadores se pueden integrar en teléfonos inteligentes y relojes, lo que permitirá a las personas controlar su entorno y comunicar su sentido del gusto y el olfato en forma de valores numéricos», concluye el profesor Jiaqi Zhang.

más información:
Chunming Liu et al., Unión de bordes de sillón más dura en nanocintas de disulfuro de molibdeno monocapa, ciencia avanzada (2023). doi: 10.1002/advs.202303477

Información de la revista:
ciencia avanzada


Proporcionado por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón

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