Voor het eerst is een onderzoeksteam erin geslaagd kleine clusters van edelgasatomen bij kamertemperatuur te stabiliseren en direct in beeld te brengen. Deze prestatie opent opwindende mogelijkheden voor de fysica van de gecondenseerde materie en toepassingen in de kwantuminformatietechnologie.

De sleutel tot deze doorbraak, bereikt door onderzoekers van de Universiteit van Wenen in samenwerking met collega's van de Universiteit van Helsinki, was de opname van edelgasatomen tussen twee grafeenlagen. Dit overwint de moeilijkheid dat edelgassen onder experimentele omstandigheden bij kamertemperatuur geen stabiele structuren vormen.

Details van de methode en de eerste elektronenmicroscopische beelden van edelgasstructuren (krypton en xenon) zijn nu gepubliceerd in Nature Materials .

De groep van Jani Kotakoski aan de Universiteit van Wenen bestudeerde het gebruik van ionenbestraling om de eigenschappen van grafeen en andere tweedimensionale materialen te veranderen toen ze iets ongewoons opmerkten:wanneer edelgassen worden gebruikt voor bestraling, kunnen ze vast komen te zitten tussen twee lagen grafeen. Dit gebeurt wanneer de edelgasionen snel genoeg zijn om de eerste maar niet de tweede grafeenlaag binnen te dringen.

Eenmaal gevangen tussen de lagen, kunnen de edelgassen vrij bewegen. Dit komt omdat ze geen chemische bindingen vormen. Om de edelgasatomen te huisvesten, buigt het grafeen echter en vormt het kleine belletjes. Hier kunnen twee of meer edelgasatomen elkaar ontmoeten en regelmatige, dicht opeengepakte, tweedimensionale edelgasnanoclusters vormen.

"We hebben deze clusters waargenomen met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, en het is echt fascinerend en erg leuk om ze te observeren. Ze roteren, springen, groeien en krimpen terwijl we ze in beeld brengen", zegt Manuel Längle, hoofdauteur van het onderzoek. "De atomen tussen de lagen krijgen was het moeilijkste deel van het werk. Nu we dat hebben gedaan, hebben we een eenvoudig systeem voor het bestuderen van fundamentele processen die verband houden met de groei en het gedrag van materialen", voegt hij eraan toe.

Over het toekomstige werk van de groep zegt Kotakoski:“De volgende stappen zijn het bestuderen van de eigenschappen van clusters met verschillende edelgassen en hoe ze zich gedragen bij lage en hoge temperaturen. Door het gebruik van edelgassen in lichtbronnen en lasers zullen deze nieuwe structuren maken toekomstige toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld in de kwantuminformatietechnologie."

Meer informatie: Manuel Längle et al., Tweedimensionale edelgasclusters met weinig atomen in een grafeensandwich, Natuurmaterialen (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01780-1

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door Universiteit van Wenen