纳米级超声揭示力的本质

研究人员开发了一种在纳米尺度上测量力和原子键的新方法，该方法表明声速取决于它所穿过的结构。诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家使用一种称为皮秒超声波的测量方法，类似于医学超声波，来测量材料内原子键的强度。他们的研究已发表在Advanced Functional Materials 上。

力是日常生活中一切事物的基础。从强调整个宇宙运行的万有引力，到小到令人毛骨悚然的电子-电子相互作用。力很难测量，特别是当力太大或太小时，当我们进入纳米世界时尤其如此，例如在所谓的二维范德华 (2D-vdW) 材料中，物体具有长度范围为 10 -9米。

这些材料被称为二维材料，因为它们的几何、物理和化学特性被限制在一片材料的二维中。在薄片内，原子通过强共价键或离子键彼此紧密结合，而层本身通过弱范德华力保持在一起. 这些截然不同的力量的完全不同的性质和共存使科学家能够将材料从庞大的开采晶体“剥离”到完美的单原子层，并发现包括室温超导在内的惊人现象。例如，使用铅笔在一张纸上绘图，实际上是一种制造碳原子(石墨烯)单原子层的科学实验，这是我们几个世纪以来一直没有意识到的事情。尽管世界各地的许多研究小组对 vdW 材料进行了深入研究，但几乎没有任何实验技术可以在不破坏材料的情况下测量原子键的强度和 vdW 力。

Wenjing Yan 是诺丁汉大学物理与天文学院的主要研究人员之一，她解释说：“我们使用皮秒超声波在不损坏材料的情况下测量强共价键和弱 vdW 力。该技术类似于医学超声波，但具有更高的频率(太赫兹)，因此是非侵入性的。该研究在 2D 材料薄片上发出 120 飞秒(0.00000000000012 秒)的“泵浦”激光脉冲，产生量化声波的声子。当声子穿过材料时，它们感觉并与材料内的原子和键相互作用。然后通过第二个“探测”激光脉冲测量这些反映原子键强度的声子的特性。我们发现声音在同一物质的不同相(结构)中以非常不同的速度传播。”

来自拉夫堡大学的 Alexander Balanov 和 Mark Greenaway 扩展说：“在穿过 vdW 材料时，超声波不会破坏晶体，只会使晶体略微变形，这意味着该结构可以被认为是一个“弹簧”系统。从测量中知道声速以及这些弹簧对变形的反应，我们可以提取原子之间的共价力和层之间的 vdW 力的相对强度。如果我们应用所谓的密度函数理论高性能计算机，我们可以对不同堆叠配置的这些力进行数值估计，并建议如何调整 vdW 材料不同多晶型物的弹性、电气甚至化学性质。”

“通过考虑煎饼和约克郡布丁可以很好地类比我们的发现!这两种食物都是由相同的混合物制成的：鸡蛋、面粉和牛奶，但它们不同的烹饪过程赋予它们不同的结构和特性。虽然这在在宏观世界中，由于 vdW 力的细微差异而在纳米结构材料中发现这种差异是令人惊讶和令人兴奋的，”Wenjing Yan 说。“这项研究开辟了通过以不同方式堆叠材料来调整 vdW 力的可能性，同时非破坏性地监测这些力的特性及其与物理和化学特性的相关性的多层结构。通过这样做，我们将能够根据诺贝尔奖获得者安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫提出的建造乐高积木的目的来设计材料。”

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