Onderzoekers van de Virginia Commonwealth University hebben een nieuwe strategie ontdekt voor het creëren van superatomen - combinaties van atomen die de eigenschappen van meer dan één groep elementen van het periodiek systeem kunnen nabootsen. Deze superatomen kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te maken, inclusief efficiëntere batterijen en betere halfgeleiders; een kerncomponent van microchips, transistors en de meeste geautomatiseerde apparaten.

Batterijen en halfgeleiders zijn afhankelijk van de verplaatsing van ladingen van de ene groep atomen naar de andere. Tijdens dit proces, elektronen worden overgedragen van donoratomen naar acceptoratomen. Het vormen van superatomen die meerdere elektronen kunnen leveren of accepteren met behoud van structurele stabiliteit is een belangrijke vereiste voor het maken van betere batterijen of halfgeleiders, zei Shiv Khanna, doctoraat, Commonwealth Professor en voorzitter van de afdeling Natuurkunde van het College of Humanities and Sciences. Het vermogen van superatomen om ladingen effectief te verplaatsen terwijl ze intact blijven, wordt toegeschreven aan hoe ze de eigenschappen van meerdere groepen elementen nabootsen.

"We hebben een nieuwe benadering bedacht waarin men dergelijke op metaal gebaseerde superatomen kan synthetiseren, ' zei Khanna.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie vorige week, Khanna bewees theoretisch een methode om superatomen te bouwen die zou kunnen resulteren in het creëren van effectievere energetische materialen. Het werk werd gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research.

"Halfgeleiders worden op elk gebied van het leven gebruikt, "Zei Khanna. "Superatomen die de elektronendonatie aanzienlijk zouden kunnen verbeteren, zouden een aanzienlijk maatschappelijk voordeel zijn."

Momenteel, alkali atomen, die de eerste kolom van het periodiek systeem vormen, zijn optimaal voor het doneren van elektronen. Deze natuurlijk voorkomende atomen hebben een lage hoeveelheid energie nodig om een ​​elektron af te staan. Echter, het doneren van meer dan één elektron vereist een onbetaalbaar hoge hoeveelheid energie.

Khanna en collega's Arthur Reber, universitair hoofddocent natuurkunde, en Vikas Chauhan, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde, hebben een proces gecreëerd waarbij clusters van atomen meerdere elektronen kunnen doneren of ontvangen met lage energieniveaus.

"De mogelijkheid om deze bouwstenen te hebben die meerdere ladingen kunnen accepteren of meerdere ladingen kunnen doneren, zou uiteindelijk brede toepassingen hebben in elektronica, ' zei Khanna.

Hoewel dergelijke superatomen al zijn gemaakt, er is nooit een leidende theorie geweest om dit effectief te doen. Khanna en zijn collega's theoretiseren dat organische liganden - moleculen die metaalatomen binden om ze te beschermen en te stabiliseren - de uitwisseling van elektronen kunnen verbeteren zonder het energieniveau in gevaar te brengen.

Ze beschouwden deze theorie met behulp van groepen aluminiumclusters gemengd met boor, koolstof, silicium en fosfor, gecombineerd met organische liganden. Met behulp van computationele analyse, ze toonden aan dat het cluster nog minder energie zou gebruiken om een ​​elektron te doneren dan francium, de sterkste natuurlijk voorkomende alkali-elektronendonor.

"We zouden liganden kunnen gebruiken om elk cluster van atomen te nemen en het in een donor of acceptor van elektronen te veranderen, "Zei Khanna. "We zouden elektronendonoren kunnen vormen die sterker zijn dan elk element dat op het periodiek systeem wordt gevonden."