コロイド中空のナノ粒子の単層上のナノインデンテーションの力学

球状のナノインデントを使用して、中空のシリカナノ粒子の密集した配列で構成される単層アセンブリの集合的な機械的挙動を探ります。7種類の明確に定義された中空ナノ粒子は、100〜300 nmの半径と14〜44 nmの範囲の殻の厚さで研究されています。マイクロメカニカルモデルは、インデント中の基礎となる変形メカニズムを明らかにします。インデントとの連続的な接触とナノ粒子の数が増加すると、浸透深度のあるインデント力が非線形増加します。それぞれが中空のナノ粒子と連続して接触し、局所的に曲がり、平らになり、次に局所的にバックルしました。実験データへのヘルツィアンの適合によって得られる単層フィルムの有効なインデント弾性率は、ナノ粒子シェル材料の弾性率に比例し、粒子シェルの厚さtと半径rの比とともに指数関数的に鱗に比例することがわかっています。2.3のパワー。さらに、構成要素ナノ粒子の同じ（t）/（r）を持つ一定のフィルム密度の場合、より薄いシェルを持つ小さな粒子は、より大きな直径と厚いシェルのカウンターパートと比較して、より高い効果的なインデント弾性率を提供できることがわかります。この研究は、高性能の軽量ナノ粒子フィルムとコーティングを構築するための有用な洞察とガイダンスを提供します。

We explore the collective mechanical behavior of monolayer assemblies composed of close-packed arrays of hollow silica nanoparticles using a spherical nanoindentor. Seven types of well-defined hollow nanoparticles are studied with their radii ranging from 100 to 300 nm and shell thickness ranging from 14 to 44 nm. Micromechanical models reveal the underlying deformation mechanisms during indentation, where the consecutive contacting of the indentor with an increasing number of nanoparticles results in a nonlinear increase in the indentation force with penetration depth. Each contacted hollow nanoparticle successively locally bends, flattens, and then locally buckles. The effective indentation modulus of the monolayer film, which is obtained by a Hertzian fit to the experimental data, is found to be proportional to the elastic modulus of the nanoparticle shell material and scales exponentially with the ratio of particle shell thickness t to radius R to the power of 2.3. Furthermore, we find that for a constant film density with the same (t)/(R) of the constituent nanoparticles, smaller particles with a thinner shell can provide a higher effective indentation modulus, compared to their larger diameter and thicker shell counterparts. This study provides useful insights and guidance for constructing high-performance lightweight nanoparticle films and coatings with potential applications in tailoring stiffness and mechanical energy absorption.