Fasenovergangen van materialen ontrafelen met nanotrommels
Als water bevriest tot ijs of verdampt tot damp, veranderen de eigenschappen ervan compleet bij een bepaalde temperatuur. Dat soort veranderingen, die we faseovergangen noemen, zijn cruciaal om materialen te begrijpen. Maar hoe werken zulke overgangen in nanomaterialen? In Nature Communications deelt een team van wetenschappers onder leiding van TU Delft nieuwe inzichten in de complexe faseovergangen van magnetische nanomaterialen. Hun onderzoek laat zien hoe magnetische en mechanische eigenschappen met elkaar verbonden zijn, wat de basis kan leggen voor ultragevoelige sensoren.
De onderzoekers van TU Delft, die deze studie in samenwerking met de Universiteit van Valencia en de Nationale Universiteit van Singapore uitvoerden, keken naar FePS₃, een nanomateriaal van maar een paar atomen dik. Voor het eerst hebben ze een methode ontwikkeld om beter te begrijpen hoe ingewikkelde faseovergangen in zulke materialen verlopen. Ze gebruikten kleine, zwevende laagjes FePS₃ die ze lieten trillen terwijl ze de temperatuur langzaam verhoogden of verlaagden. Zo konden ze zien hoe de trillingen van het materiaal veranderden rond de faseovergangstemperatuur – en daarmee ook de magnetische eigenschappen.
“Stel je een trommel voor met een magnetische structuur, waarbij laserlicht als een drumstok werkt en het materiaal continu laat trillen,” legt Farbod Alijani uit, universitair hoofddocent aan de Delftse faculteit Mechanical Engineering. “Bij warmere temperaturen is die magnetische trommel slap, alsof de magnetische spins, de natuurlijke draaiingen in de deeltjes die ervoor zorgen dat ze zich als kleine magneten gedragen, ongeordend zijn. Maar als het kouder wordt, spant de trommel zich aan en klikken de spins in een net patroon. Als je de temperatuur langzaam verandert van warm naar koud, voel je niet alleen dat de trommel anders wordt, maar ontdek je ook dat die verandering niet geleidelijk gaat. Het is een complex proces, dat ook de mechanische eigenschappen beïnvloedt.”
Faseovergangstemperatuur
De onderzoekers hebben die complexe veranderingen tijdens de faseovergang gemeten. Door een nanotrommel te gebruiken, konden ze precies vaststellen bij welke temperatuur die plotselinge overgang plaatsvindt. Ook konden ze in detail bekijken hoe het gedrag van de trommel verandert. “We hebben de faseovergangstemperatuur vastgesteld rond -160°C,” zegt Makars Šiškins, die tijdens zijn promotieonderzoek de basis legde voor deze studie. “Daarnaast zagen we dat de mechanische veranderingen door temperatuurverschuivingen direct te maken hebben met de magnetische en elastische eigenschappen van het materiaal.”
Ultragevoelige sensoren
De dunne laagjes nanomateriaal zijn ontzettend gevoelig voor interne en externe krachten. Šiškins legt uit: “Die gevoeligheid maakt dit materiaal perfect voor sensoren die zelfs de kleinste veranderingen in de omgeving of interne spanningen kunnen waarnemen.”
Het team wil deze methode nu gaan gebruiken om faseovergangen in andere nanomaterialen te onderzoeken. Medeauteur Herre van der Zant: “Wij gaan in ons lab onderzoeken of we zogenaamde spingolven met de nanotrommel kunnen waarnemen. Je kunt spingolven zien als informatiedragers van een magnetisch materiaal, zoals elektronen dat zijn voor geleidende materialen.” Alijani gaat zich richten op het praktisch toepassen van deze inzichten, bijvoorbeeld om sensoren nog beter te maken. “Door deze complexe processen te begrijpen, leggen we de basis voor nieuwe nanomechanische apparaten, zoals ultragevoelige sensoren,” zegt hij.
F. (Farbod) Alijani
