211service.com
Metalen worden moleculair-achtig op de atoomschaal, onthullen materiaalwetenschappers
Een van de bepalende kenmerken van metalen is de manier waarop ze bij elkaar worden gehouden. In wezen zit een rooster van metaalionen in een zee van gedelokaliseerde elektronen en dit werkt als een soort lijm die de structuur aan elkaar bindt.
Deze metaalbindingen zijn totaal verschillend van de covalente bindingen die moleculen bij elkaar houden. Om te beginnen zijn metaalbindingen een collectief fenomeen dat ontstaat door het bulkgedrag van metaalionen en gedelokaliseerde elektronen.
Bovendien hebben metalen bindingen geen voorkeursrichting. Dat is handig, want het maakt metalen structuren stabiel en zorgt er ook voor dat atomen gemakkelijk kunnen worden toegevoegd of weggenomen.
Daarentegen vormt zich een covalente binding tussen twee atomen en is deze zeer directioneel. Deze bindingen vormen het skelet dat moleculen bij elkaar houdt en het mogelijk maakt om zeer complexe structuren te creëren, zoals buckyballs en eiwitten.
Maar hoe zit het met de binding die de eenvoudigst denkbare metalen structuur bij elkaar houdt: twee metaalatomen die een brug vormen? Vandaag zeggen Harsh Deep Chopra en vrienden van de State University van New York in Buffalo dat ze voor het eerst de aard van deze binding bij kamertemperatuur hebben gekarakteriseerd.
Hun verbazingwekkende ontdekking is dat de binding tussen twee metaalatomen in deze situaties moleculair wordt - met andere woorden, het is veel sterker en zeer gericht. En ze zeggen dat deze bevinding belangrijke implicaties heeft voor het ontwerp en de constructie van toekomstige atomaire apparaten.
Hun experiment is in principe eenvoudig. Ze brachten de punt van een atoomkrachtmicroscoop net dicht genoeg bij een gouden oppervlak dat het een brug met één atoom creëerde. Vervolgens trokken ze de punt weg om te meten hoeveel kracht er nodig was om de brug te breken.
De resultaten zijn verrassend. De kracht die nodig is om de bindingen tussen goudatomen in een bulkmetaal te verbreken, is ongeveer 0,5 nanonewton. Maar wanneer twee goudatomen in een brug worden geïsoleerd, kost het ongeveer 2 nanonewton om hetzelfde werk te doen. Dat is of vier keer de kracht die in een bepaalde richting moet worden uitgeoefend. (Ze kregen vergelijkbare resultaten met zilver.)
Dus de bindingen tussen metaalatomen in een apparaat op atomaire schaal zijn zowel directioneel als aanzienlijk sterker dan die in het bulkmateriaal. Met andere woorden, de bindingen worden op deze schaal moleculair.
Dat zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de manier waarop apparaten op atomaire schaal worden ontworpen en gebouwd. De directionele bindingen bieden een hoge configuratiestabiliteit aan metalen apparaten van atomaire grootte, zeggen Chopra en co.
Bovendien hebben deze apparaten minder snel last van de complicaties die voortkomen uit bulkmetaalinterfaces die uiteindelijk kunnen binden met allerlei soorten ongewenst afval. Dat kan gewoon niet gebeuren met directionele bindingen.
Natuurlijk verliezen deze metaalbindingen al snel hun richtingskarakter als er meer metaalatomen worden toegevoegd. Een interessante vraag is dus in hoeverre dit fenomeen kan worden benut om moleculair-achtige structuren te maken. Dat is een probleem voor toekomstig werk.
Maar met de trend in miniaturisatie voor micro-elektronica die nu het atomaire niveau nadert, zal een beter begrip van hoe apparaten op atomaire schaal bij elkaar worden gehouden zeker niet verkeerd zijn.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1305.5582 : Metaalbindingen worden moleculair-achtig in apparaten van atoomformaat