De opmerkelijke sterkte van ionische kristallen is gemakkelijk te verklaren op atomaire schaal:positief en negatief geladen atomen zitten naast elkaar in een zich herhalende periodieke rangschikking. De sterke elektrostatische kracht ertussen houdt ze bij elkaar.

Maar wat gebeurt er als er abrupt een einde komt aan het periodieke patroon? Onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen hebben zorgvuldig kaliumtantalaatkristallen gebroken in specifieke richtingen, en beeldde de resulterende oppervlakken af ​​met behulp van een ultramoderne atoomkrachtmicroscoop. Hun gegevens werden gecombineerd met berekeningen uitgevoerd aan de Universiteit van Wenen, en uiteindelijk werd een reeks opmerkelijke verschijnselen verklaard. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap , en zijn potentieel nuttig voor technologieën zoals waterstofproductie.

De zwarte en witte vierkanten op een schaakbord wisselen elkaar af langs de rijen en kolommen, en in een hoek van hoek tot hoek, ze verschijnen als zwarte en witte rijen. De zwart-witte vierkanten in twee dimensies lijken op een kristal in drie dimensies:"Als men een kubisch kristal in een bepaalde richting splitst, men kan eindigen met alleen positieve of alleen negatieve ladingen aan het oppervlak. Een dergelijke situatie zou zeer onstabiel zijn, " legt prof. Ulrike Diebold van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Technische Universiteit van Wenen uit. Een stapeling van puur positieve en negatief geladen lagen zou resulteren in een potentiaal van miljoenen volt over het kleine monster - wetenschappers noemen dit de 'polaire catastrofe'. "Om deze situatie te voorkomen, de atomen moeten reorganiseren. Maar hoe?

"Er zijn verschillende manieren waarop een oppervlak kan reageren als we een kristal splijten, " zegt Martin Setvin, eerste auteur van de publicatie. "Elektronen kunnen zich op bepaalde plaatsen ophopen, het kristalrooster kan vervormen, of moleculen uit de atmosfeer kunnen aan het oppervlak blijven plakken, het veranderen van zijn eigenschappen."

Via scanning tunneling microscoop, het is meteen duidelijk dat een bij zeer lage temperatuur gebroken kristal de helft van de negatief geladen laag aan één kant heeft, en de helft aan de andere kant. Omdat de negatieve eilanden precies 50 procent van elk oppervlak beslaan, het oppervlak is elektrisch neutraal. "Nog, het eiland is groot, dus de polaire catastrofe wordt niet volledig vermeden - het veld eronder verandert de fysieke eigenschappen van het materiaal, ' zegt Setvin.

Vreemd genoeg, door de temperatuur van het oppervlak iets te verhogen, de eilanden vallen uiteen en de atomen vormen een labyrint van gekartelde lijnen. De "muren" van dit labyrint zijn slechts één atoom hoog en vier tot vijf atomen breed, en berekeningen tonen aan dat dit inderdaad een stabielere configuratie is.

"De labyrintstructuren zijn niet alleen mooi, maar ook potentieel nuttig, "zegt Diebold. "Dat is precies wat je wilt:kleine structuren waar sterke elektrische velden voorkomen op atomaire schaal." Je zou ze kunnen gebruiken, bijvoorbeeld, om chemische reacties mogelijk te maken die niet vanzelf zouden verlopen, zoals het splitsen van water, waterstof te produceren.

"Het gebruik van deze vreemde kristaloppervlakken in technologie vereist dat we begrijpen wat er op atomaire schaal gebeurt, " benadrukt Setvin. "Daarom is microscopie zo belangrijk voor ons. In afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen we individuele atomen rechtstreeks waarnemen, kijk hoe ze bewegen, en eindelijk begrijpen wat de natuur probeert te doen. Misschien dan, we kunnen uitzoeken hoe het te gebruiken."