How to move objects at the nanoscale

A new study published in PNAS

To move a nanoparticle on the surface of a graphene sheet, you won’t need a “nano-arm”: by applying a temperature difference at the ends of the membrane, the nanocluster laying on it will drift from the hot region to the cold one. In addition, contrary to the laws ruling the world at the macroscale, the force acting on the particle – the so-called thermophoretic force – should not decrease as the sheet length rises, sporting a so-called ballistic behavior. In fact, simulations show that vertical thermal oscillations of the graphene membrane flow ballistically from hot to cold, providing a push to the object. Yet these vertical waves, known as flexural phonons, should not be able to impress any lateral shift to an object. Nevertheless, computer simulations show that they do push the nanocluster in the same way a surfboard is taken to shore by ocean waves. And, of course within limits, no matter how far away the wave came from. These theoretical predictions could be of great interest in the frame of manipulating materials at the nanoscale, in view of potential technological applications. The research, which was conducted by a joint SISSA-ICTP group and funded by a European ERC Advanced Research Grant, has been recently published by co-authors Emanuele Panizon, Roberto Guerra and Erio Tosatti, coordinator of the study, in Proceedings of the National Academy of Sciences (US).

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Per spostare una nanoparticella appoggiata su un foglio di grafene non serve un “braccio” nanometrico: se si crea una differenza di temperatura tra gli estremi del grafene, la nanoparticella viene spinta dalla zona calda a quella fredda. In contrasto con le leggi del mondo “macro” che conosciamo, inoltre, la spinta che viene percepita dalla nanoparticella – detta spinta termoforetica - non sembra diminuire all’aumentare della distanza fra gli estremi. Un caso, questo, definito “balistico”, in analogia col proiettile in una canna di fucile. Simulazioni realistiche mostrano che sono le oscillazioni termiche verticali della membrana di grafene, simili a onde, a fornire questa spinta all'oggetto mentre si muovono essi stessi balisticamente dal caldo al freddo. Ciò presenta una seconda sorpresa: queste onde verticali – il cui nome tecnico è fononi flessurali - non dovrebbero poter imprimere nessuna spinta laterale. Le simulazioni mostrano invece che la nanoparticella viaggia sospinta dai fononi, un po’ come una tavola da surf portata a riva dalle onde dell’oceano. E questo, entro limiti ragionevoli, indipendentemente da quanto distante l’onda è originata. Sono queste le previsioni teoriche emerse da una ricerca condotta da un’equipe composta da scienziati della SISSA  e dell’ICTP di Trieste che potrebbero essere di grande interesse per la manipolazioni di materiali a livello nanometrico per future applicazioni tecnologiche. Il lavoro, condotto nell’ambito di un ERC Advanced Research Grant europeo, è firmato da Emanuele Panizon, Roberto Guerra e Erio Tosatti, coordinatore della ricerca, ed è appena stato pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences (US).

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A cura dell'Ufficio Stampa

SISSA

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