研究人員開發(fā)了一種在納米尺度上測量力和原子鍵的新方法，該方法表明聲速取決于它所穿過的結構。諾丁漢大學和拉夫堡大學的科學家使用一種稱為皮秒超聲波的測量方法，類似于醫(yī)學超聲波，來測量材料內原子鍵的強度。他們的研究已發(fā)表在Advanced Functional Materials 上。

力是日常生活中一切事物的基礎。從強調整個宇宙運行的萬有引力，到小到令人毛骨悚然的電子-電子相互作用。力很難測量，特別是當力太大或太小時，當我們進入納米世界時尤其如此，例如在所謂的二維范德華 (2D-vdW) 材料中，物體具有長度范圍為 10 -9米。

這些材料被稱為二維材料，因為它們的幾何、物理和化學特性被限制在一片材料的二維中。在薄片內，原子通過強共價鍵或離子鍵彼此緊密結合，而層本身通過弱范德華力保持在一起. 這些截然不同的力量的完全不同的性質和共存使科學家能夠將材料從龐大的開采晶體“剝離”到完美的單原子層，并發(fā)現包括室溫超導在內的驚人現象。例如，使用鉛筆在一張紙上繪圖，實際上是一種制造碳原子(石墨烯)單原子層的科學實驗，這是我們幾個世紀以來一直沒有意識到的事情。盡管世界各地的許多研究小組對 vdW 材料進行了深入研究，但幾乎沒有任何實驗技術可以在不破壞材料的情況下測量原子鍵的強度和 vdW 力。

Wenjing Yan 是諾丁漢大學物理與天文學院的主要研究人員之一，她解釋說：“我們使用皮秒超聲波在不損壞材料的情況下測量強共價鍵和弱 vdW 力。該技術類似于醫(yī)學超聲波，但具有更高的頻率(太赫茲)，因此是非侵入性的。該研究在 2D 材料薄片上發(fā)出 120 飛秒(0.00000000000012 秒)的“泵浦”激光脈沖，產生量化聲波的聲子。當聲子穿過材料時，它們感覺并與材料內的原子和鍵相互作用。然后通過第二個“探測”激光脈沖測量這些反映原子鍵強度的聲子的特性。我們發(fā)現聲音在同一物質的不同相(結構)中以非常不同的速度傳播。”

來自拉夫堡大學的 Alexander Balanov 和 Mark Greenaway 擴展說：“在穿過 vdW 材料時，超聲波不會破壞晶體，只會使晶體略微變形，這意味著該結構可以被認為是一個“彈簧”系統(tǒng)。從測量中知道聲速以及這些彈簧對變形的反應，我們可以提取原子之間的共價力和層之間的 vdW 力的相對強度。如果我們應用所謂的密度函數理論高性能計算機，我們可以對不同堆疊配置的這些力進行數值估計，并建議如何調整 vdW 材料不同多晶型物的彈性、電氣甚至化學性質。”

“通過考慮煎餅和約克郡布丁可以很好地類比我們的發(fā)現!這兩種食物都是由相同的混合物制成的：雞蛋、面粉和牛奶，但它們不同的烹飪過程賦予它們不同的結構和特性。雖然這在在宏觀世界中，由于 vdW 力的細微差異而在納米結構材料中發(fā)現這種差異是令人驚訝和令人興奮的，”Wenjing Yan 說。“這項研究開辟了通過以不同方式堆疊材料來調整 vdW 力的可能性，同時非破壞性地監(jiān)測這些力的特性及其與物理和化學特性的相關性的多層結構。通過這樣做，我們將能夠根據諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫提出的建造樂高積木的目的來設計材料。”

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