Исследователи ETH Zurich впервые создали объекты с памятью формы толщиной всего двадцать нанометров. Предоставлено: ETH Zurich / Minsoo Kim

Сплавы, способные возвращаться к своей первоначальной структуре после деформации, обладают так называемой памятью формы. Это явление и возникающие в результате силы используются во многих механических исполнительных системах, например, в генераторах или гидравлических насосах. Однако использовать этот эффект памяти формы на малых наноразмерах не представлялось возможным. Объекты, сделанные из сплава с памятью формы, могут вернуться к своей первоначальной форме только в том случае, если их размер превышает 50 нанометров.

Исследователи под руководством Сальвадора Пане, профессора материалов робототехники в ETH Zurich, и Сян-Чжун Чена, старшего научного сотрудника в его группе, смогли обойти это ограничение, используя керамические материалы. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, они демонстрируют эффект памяти формы на слое толщиной около двадцати нанометров, состоящем из материалов, называемых оксидами железа. Это достижение теперь позволяет применить эффект памяти формы к крошечным наноразмерным машинам.

Нужна особая структура

На первый взгляд ферроидные оксиды не очень подходят для эффекта памяти формы: они хрупкие в объемном масштабе, и для получения очень тонких слоев их обычно приходится фиксировать на подложке, что затрудняет их фиксацию (они негибкие). Чтобы по-прежнему иметь возможность вызвать эффект памяти формы, исследователи использовали два разных оксида, титанат бария и феррит кобальта, из которых они временно нанесли тонкие слои на подложку из оксида магния. Параметры решетки двух оксидов существенно отличаются друг от друга. После того как исследователи отсоединили двухслойную полосу от несущей подложки, напряжение между двумя оксидами привело к образованию скрученной структуры в форме спирали.

Такие автономные наноструктуры из оксидов железа обладают высокой эластичностью, упругостью и допускают гибкие движения. Кроме того, они продемонстрировали эффект памяти формы: когда исследователи прикладывали механическое растягивающее усилие к конструкции, она растягивалась и необратимо деформировалась. Затем ученые направили на деформированную структуру электронный луч из сканирующего электронного микроскопа; он вернулся к своей первоначальной форме. Таким образом, электрическая энергия вызвала эффект памяти формы. Толщина слоя около двадцати нанометров — это наименьший размер образца, на котором когда-либо наблюдался подобный эффект.

Обычно в других примерах эффект памяти формы вызывается тепловыми или магнитными манипуляциями. «Мы подозреваем, что причина, по которой это работает при электрическом облучении ферроидных оксидов, может быть связана с ориентацией поляризации внутри оксидов», — говорит Чен. В то время как отдельно стоящая структура растягивается, поляризация внутри оксидов выравнивается параллельно плоскости структуры. Однако электронный луч приводит к тому, что поляризация выравнивается перпендикулярно плоскости структуры, вызывая изменение механической деформации и сжатие до исходной формы.

Ученые создали нанообъекты с помощью тонкопленочного осаждения и сухого травления. Авторы и права: Ким Д. и др., Nature Communications, 2023 г.

Широкий спектр приложений

Этот отклик на электрическую энергию больше подходит для широкого круга приложений, потому что точечные манипуляции с температурой (обычно используемые для индукции памяти формы) невозможны на наноуровне. Один из примеров применения: благодаря своей высокой эластичности оксиды могут заменить мышечные волокна или части позвоночника.

«Другими приложениями могут быть новые нанороботизированные системы: механическое движение, возникающее при переключении между двумя структурами, можно использовать для приведения в действие крошечных двигателей», — говорит Донхун Ким. Он работал докторантом над этим исследованием и является одним из двух его ведущих авторов. «Кроме того, наш подход может также способствовать разработке долговечных небольших машин, поскольку материал не только эластичный, но и прочный», — говорит Минсу Ким, постдоктор и ведущий автор.

Область применения может быть расширена даже до гибкой электроники и мягких роботизированных систем. В другом исследовании, которое исследователи только что опубликовали в журнале Advanced Materials Technologies, им удалось разработать такие отдельно стоящие оксидные структуры, чтобы можно было более точно контролировать и настраивать их магнитоэлектрические свойства. Такие оксиды с памятью формы могут быть использованы, среди прочего, для производства нанороботов, которые имплантируются в тело и могут стимулировать клетки или восстанавливать ткани. С помощью внешних магнитных полей нанороботы могут трансформироваться в другую форму и выполнять определенные функции в организме человека.

«Кроме того, магнитоэлектрические свойства этих оксидных структур с памятью формы могут быть использованы, среди прочего, для электрической стимуляции клеток в организме, например, для активации нейронных клеток в мозге, для кардиотерапии или для ускорения процесса заживления костей». — говорит Пане. Наконец, магнитоэлектрические оксиды с памятью формы можно использовать в наноразмерных устройствах, таких как крошечные антенны или датчики.