日本高级科学技术研究所
(上)纳米力学测量装置
(下图)Au纳米触点的杨氏模量作为横截面积的函数绘制
红圈代表实验值，蓝圈代表第一性原理计算的结果
(插图)金纳米触点的典型TEM图像
鸣谢:来自JAIST的长谷川义史·大岛
小型化是无数技术进步的核心
不可否认的是，随着设备及其构建模块变得越来越小，我们设法解锁新的功能并开发出前所未有的应用
然而，随着越来越多的科学家深入研究具有原子尺度结构的材料，我们目前对纳米材料物理学的理解差距变得更加突出
例如，纳米材料的表面代表了一个这样的知识缺口
这是因为当材料的表面体积比高时，表面量子效应的影响变得更加明显
在纳米机电系统(NEMS)这一当前研究的热门话题中，当纳米材料的尺寸减小到几个原子时，其物理性质与它们的块状对应物有很大的不同
对纳米线和纳米触点(NEMS的组成部分)的机械特性的深入了解对于推进这项技术至关重要
但是，测量它们被证明是一项具有挑战性的任务
在这种背景下，来自日本的一个研究小组最近实现了一项前所未有的壮举，他们成功地精确测量了拉伸到几个原子的金纳米触点的弹性模量
这项研究发表在《物理评论快报》上，由教授领导
日本高级科学技术研究所的长谷川义史·大岛
该团队的其他成员包括JAIST的博士后研究员张佳祺和教授Masahiko Tomitori，以及金泽大学的Toyoko Arai教授
为了观察机械拉伸时的金纳米触点，研究人员在超高真空中使用了透射电子显微镜(TEM)
这对于确保纳米触点表面在测量过程中保持完全清洁至关重要
与此同时，为了精确测量纳米触点的杨氏模量(硬度的一种度量)，该团队采用了他们之前开发的一种创新技术
他们将一个石英长度延伸谐振器(LER)放在一个TEM支架上，并将纳米触点的一侧连接到它上面
在他们的设置中，共振频率根据金纳米触点的“等效弹簧常数”而变化，这与材料的杨氏模量有关
“使用我们命名为‘纳米力学测量方法’的方法，我们可以精确地测量纳米材料的等效弹簧常数，同时使用TEM观察它并测量它的电导率，”教授解释说
大岛
使用这种策略，研究人员对金纳米触点进行了实验，他们逐渐拉伸而不断裂
他们观察了当每个纳米触点被拉伸时，单个原子如何重新排列成新的层，并计算了杨氏模量如何随其大小而变化
纳米触点内部的杨氏模量等于体金的杨氏模量(90 GPa)，而纳米触点表面的杨氏模量仅为22 GPa
有了这些知识，研究小组证明了金纳米触点的整体强度是由其最外层表面层的柔软度决定的
“我们的发现阐明了为什么纳米材料的强度因其尺寸不同而不同，我们的方法允许我们估计任何类型的纳米金的杨氏模量。”
大岛
“最值得注意的是，我们的结果为NEMS纳米线和纳米片的设计和开发提供了适当的指导方针
这将为有前途的压力、气体和声音传感器以及其他应用打开大门，”他补充道
除了NEMS，该团队预计他们的结果以及他们的测量方法可能对化学有潜在的影响，因为化学反应不仅取决于催化剂的结构或电子状态，还取决于其表面的原子级振动
由于这些原子振动与材料的表面强度有关，因此提出的方法可能会帮助我们找到控制化学反应的新方法
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