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纳米尺度下的超声波揭示了力的性质
发布时间:2021-10-12 19:40:19 阅读:720

来源:诺丁汉大学 Jane Icke;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 宾泽川 编译

图1 样品和实验设置(a)α-和β-In2Se3.[20, 31]的晶体结构;实方框表示的是α- In2Se3 (2H)和β-In2Se3 (3R) (b)α-和β-In2Se3的拉曼光谱;插图-薄片的光学图像(c)用于测量声速的泵浦-探头装置示意图:PD-光电探测器; SHG-二次谐波发生器; f1和f2分别是泵浦激光器和探测激光器脉冲的重复频率。在这里f1, f2≈80 MHz和f1 - f2 = 800 Hz的小差异导致探头脉冲相对于泵浦脉冲时间扫描更加缓慢,从而提供了约1 ps的时间分辨率。虚线箭头表示光线的方向。(d)在400 nm泵浦和800 nm探针的PU实验中,样品空间的放大碎片。资料来源:DOI: 10.1002/adfm.202106206

    研究人员发现了一种在纳米尺度上测量力和原子键的新方法,该方法表明声音的速度取决于它所经过的结构。

    来自诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家使用一种类似于医学超声技术,被称为皮秒超声的测量方法,来测量材料内原子键的强度。他们的研究成果已经发表在《高级功能材料》杂志上。

    在日常生活中,力是所有事物的基础。大到维持整个宇宙运行的引力,小到甚至是电子与电子之间的相互作用。当力过大或过小,特别是当我们在纳米尺度下,例如长度在10-9数量级被称为二维范德华(2D-vdW)的材料中,力的测量将变得十分困难。

    这些材料被称为二维材料,因为它们的几何、物理和化学性质受限于二维薄板材料。在薄板中,原子通过强共价键或离子键紧密结合在一起,而薄板本身则是通过弱范德华力粘合在一起。鉴于材料中不同的性质和不同强度的力可以共存,科学家们可以从大量开采的晶体中“剥离”出完美的单原子层材料,并在这个过程中发现了包括室温超导性在内的惊人现象。例如,用铅笔在纸上画画,实际上是一个制作单层碳原子 (石墨烯)的科学实验,这是我们几个世纪以来一直在做的事情,但我们都没有意识到。尽管世界上有许多研究小组都对范德华材料进行了深入的研究,但是还几乎没有任何实验手段,可以在不破坏材料的情况下测量原子键的强度和范德华力。

    来自诺丁汉大学物理与天文学院的主要研究人员之一Wenjing Yan解释说:“我们使用皮秒超声技术可以在不破坏材料的基础上,测量材料的强共价键和弱范德华力。这项技术与医学超声技术相似,都是非侵入性的,但它使用的频率更高(太赫兹)。该研究利用120毫秒的“泵浦”激光照射二维材料,从量子化的声波中获取声子。当声子穿过材料时,它们与材料内的原子和化学键触碰并相互作用,这些声子的特性反映了原子键的强度。之后再利用第二个“探测”激光脉冲照射声子即可完成测量。通过测量我们发现声音在同一物质的不同阶段(结构),以完全不同的速度进行传播。”

    来自拉夫堡大学的Alexander Balanov和Mark Greenaway认为:“当超声波穿过范德华材料时,并不会破坏晶体,只会使材料发生轻微变形,这意味着该结构可以被看作是一个“弹簧”系统。通过测量声速和这些弹簧对形变的反应,我们可以得到原子间的共价力和层间范德华力的相对强度。如果我们利用高性能计算机处理所谓的密度函数理论,就可以以数值的形式对不同堆积结构的这些力进行评估,从而知道如何调整范德华材料内不同晶型的弹性、电性甚至化学性质。”

    闫文静(音译)认为:“我们的发现可以用薄饼和约克郡布丁来类比!这两种食物制作中所用的混合物:鸡蛋、面粉和牛奶都是相同的,但它们不同的烹饪过程使得它们具有不同的结构和特性。虽然这在宏观世界中是很明显,但是在纳米结构材料中,能发现由范德华力的细微差异所引起的结构差异还是令人感到惊讶和兴奋的。这项研究为以不同堆积结构的材料调节范德华力,和无损监测这些力的性质,以及它们的多层结构物理和化学性质的相关性提供了基础。通过这种方法,我们将能够像诺贝尔奖得主Andre Geim和Konstantin Novoselov所提出的那样,如同搭建乐高积木一样设计这种材料。”

 
 

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