Purunematud kujumäluga nanotraadid

SERGEI VLASSOV, RÜNNO LÕHMUS

Nanotehnoloogia on saanud meie igapäevaelu osaks. Alates mobiiltelefonidest ja arvutitest ning lõpetades kosmeetika- ja toiduainetööstusega oleme ümbritsetud toodetest, mille ainulaadsed omadused tulenevad nanoefektist. Siiski ei ole paljudele veel selge, et nanotehnoloogiliste nähtuste salapära ei ole tingitud üksnes struktuuride tibatillukeseks tegemisest. Nanotehnoloogia tohutu suured võimalused on seotud materjalide muutunud, eriliste omadustega nanoskaalas. Just see suur erinevus tavamõõtmetes ehk mikro- ja makro­skaalas ilmnevatest omadustest on põhjustanud nanovaldkonna plahvatusliku arengu nii teaduslikus kui ka tehnoloogilises suunas. Materjalide nanomõõtmetesse viimisel esile kerkivad muutused hõlmavad sulamistemperatuuri, elektri- ja soojusjuhtivust, mehaanilist tugevust ning palju teisi rakenduslikust vaatenurgast olulisi omadusi. Tänu sellele ongi saanud võimalikuks nanotehnoloogial baseeruvate tehnoloogiate, aparaatide ja seadmete loomine, jätkuv tootva tööstuse efektiivistamine ja argielu kvaliteedi tõus.

Nanomeetritest nanonjuutoniteni
Nanomaterjalide makroskaalas rakendamiseks ja maksimaalse kasu saamiseks on väga oluline uurida üksikute nanostruktuuride omadusi ja käitumist võimalikult paljudes situatsioonides ja keskkondades. Tundes täpselt üksikelemendi hingeelu saame neid lihtsamini suurematesse süsteemidesse kombineerida. Üksikelement on aga teatavasti tilluke ning nii väikeses mõõtskaalas on eksperimentaalsed tööd tihti äärmiselt keerukad, erakordselt täpsete ja tundlike mõõtevahendite nõudmisest rääkimata. Üheks proovikiviks võib osutuda lausa uuritava objekti ja uurimisvahendi eristamine, kuna need on tihti samas mõõtskaalas ning „mõõtma” minnes võivad nii uuritava kui ka uurija omadused muutuda. Kui tuua paralleel makromaailmaga, võib öelda, et pliiatsijämeduse termomeetriga juuksekarva temperatuuri mõõtma minnes saame tulemuseks … termomeetri enda temperatuuri samas ruumis. Sedalaadi murede vähendamiseks valitakse mõõteseadmete disainimisel materjale väga hoolikalt, sest näiteks toatemperatuuril temperatuurimuutus 0,1 kraadi tekitab pealtnäha sarnaste 1 cm pikkuste alumiinium- ja titaanvarda mõõtude erinevuseks 14 nanomeetrit (nm). Võttes arvesse, et 1 nm sisse mahub näiteks kolm kulla aatomit, on 14 nm tohutu mõõde!
Kui sobilikest materjalidest täppismõõteriist saab disainitud ja valmiski ehitatud, järgnevad uued ülesanded mõõtekeskkonnast vibratsiooni, üleliigse elektri- ja magnetvälja jms eemaldamise näol. Mõnikord teostatakse nanoskaalas eksperimente skaneeriva elektronmikroskoobi sees. Elektronmikroskoop on kui inimsilm, mis võimaldab visualiseerida pinnal toimuvat, sel ajal kui teravatipulise nõelaga paigutatakse nanoobjekte ümber. Suuruste skaala paremaks hoomamiseks võite ette kujutada umbes 100 m pikkust ja 10 cm läbimõõduga varrast, mida kasutatakse „õuna” nihutamiseks 1 mm täpsusega. Kui varrast asendab elektronmikroskoobi sees nõel ning õuna asemel torgime nano-osakest, kutsutakse seda tegevust nanomanipulatsiooniks ning nii saadaksegi kontrollitud tingimustes teada, kuidas uuritav nanostruktuur reageerib nihutamisele, tõmbamisele, painutamisele jms.
Tartu ülikooli füüsika instituudi (TÜFI) teadlased koostöös Läti ülikooli kolleegidega on läinud aga veelgi kaugemale ega rahuldu vaid nanomõõtmeliste objektide „nägemise” ja edasi-tagasi veeretamisega, vaid on välja töötanud elektronmikroskoobi sisemuses kasutatava seadme nanostruktuuride mehaaniliste omaduste mõõtmiseks. Teisisõnu: oleme nanomeetrite juurest jõudnud nanonjuutoniteni. Nanonjuutonskaalas pisijõudude tundmaõppimine aitab seletada triboloogilisi nähtusi, mida hiljem saab taas inimkonna hüvanguks ära kasutada. Triboloogiliste nähtuste all peetakse silmas kõikvõimalikke aatomtasandil toimuvaid hõõrdumisi, kulumisi, nakkumisi jms. Spetsiaalset seadeldist on aga vaja seetõttu, et „nanojõude” ei saa otse mõõta, vaid selleks kasutatakse eelnevalt kalibreeritud abivahendeid.

Hõbenanotraadi üllatused
TÜFIs on nanonjuutonseadmega juba uuritud paljude nanostruktuuride käitumist ning jõutud uute ja huvitavate leidudeni. Kõige üllatavamaks osutus hiljuti tuvastatud nähtus, kus juuksekarvast sadu kordi peenema hõbedast nanotraadi katmisel ränioksiidi kihiga (Ag/SiO2, joonis 1) tekkisid traadile seninägematud omadused. Nimelt kannatab uudne kihiline struktuur väga hästi korduvaid mehaanilisi väntsutusi kuni sõlmekeeramiseni – ei mingeid pragusid ega defekte, mis olid katteta hõbenano­traadi puhul igapäevased (joonis 2, 3).
Üllatusena leiti ka „kasukaga” nano­traadi omadus oma algset kuju mäletada ehk plastiliselt deformeeritud Ag/SiO2 nanotraat taastas elektronkiire all oma sirge algoleku (joonis 4). See nähtus erineb oma olemuselt seni tuntud nn mäluga materjalide käitumisest, kus nad temperatuurimuutuse tõttu taastavad esialgse kuju. Oluline on veel mainida, et kuju taastamine ei toimunud hetkega, vaid oli jälgitav mitme minuti jooksul.
Loomulikult on avastatud nähtus fundamentaalteaduse seisukohast ääretult oluline, kuid ette on näha ka rakenduslikke väljundeid. Näiteks on teada, et hõbenanotraadid suudavad valgust püüda ja seda kadudeta edasi juhtida, kusjuures nanotraatide läbimõõt on seejuures palju väiksem valguse lainepikkusest. Klassikalise optika seisukohalt oleks tegemist võimatu olukorraga, kuid just nii hõbenanotraadid käituvad. Lainejuhtide üheks tähtsamaks parameetriks on vastupidavus painetele, kuna tekkivad praod ja defektid vähendavad valguse saagikust. Seega on uudsed kaetud hõbenanotraadid heaks kandidaadiks täiustatud lainejuhtide loomisel. Peale selle võimaldab kuju taastamise omadus luua uusi nanoskaalas seadmeid, nt nanolüliteid, nanoresonaatoreid või ka beetakiirgust ehk kiireid elektrone registreerivaid sensoreid.
Eespool kirjeldatud Ag/SiO2 nanotraatidel läbiviidud uurimistulemused on hiljuti avaldatud ühes nanovaldkonna mainekamas ajakirjas Nano Letters. (Vt Sergei Vlassov, Boris Polyakov, Leonid M. Dorogin, Mikk Vahtrus, Magnus Mets, Mikk Antsov, Rando Saar, Alexey
E. Romanov, Ants Lõhmus, and Rünno Lõhmus, Shape Restoration Effect in Ag–SiO2 Core–Shell Nanowires, Nano Letters, 2014, DOI: 10.1021/nl5019063.)

Joonis a) nanomanipuleerimise katseskeem: üksikult võrel asetsevat Ag/SiO2 nanotraati painutatakse elektronkiire all, b) suurendatud pilt ränioksiidiga kaetud hõbenanotraadist.