(Phys.org)—In nanowetenschap, het uiteindelijke doel is om betere materialen en apparaten te ontwerpen door de posities van de atomen te controleren, moleculen, en moleculaire clusters op een substraat met exacte precisie. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de bewegingen en posities van clusters van goudatomen op een isolerend substraat te controleren, niet alleen door de punt van een microscoop te gebruiken zoals gewoonlijk wordt gedaan, maar ook door gebruik te maken van atoomgrote defecten in het substraat zelf. Het extra niveau van controle dat door de defecten wordt geboden, zou nuttig kunnen zijn voor het bouwen van toekomstige nanodevices en nanomachines.

De onderzoekers, Teemu Hynninen, et al., van instituten in Finland en Frankrijk, hebben hun studie gepubliceerd over de manipulatie van gouden nanoclusters met behulp van defecten in een NaCl-oppervlak in een recent nummer van Wetenschappelijke rapporten .

In 1990, onderzoekers toonden eerst aan dat ze afzonderlijke atomen konden verplaatsen door ze te duwen met de punt van een scanning tunneling microscope (STM). Maar hoewel het verplaatsen van afzonderlijke atomen van groot fundamenteel belang kan zijn, het is eigenlijk praktischer om wat grotere atoomclusters te kunnen verplaatsen.

"Voor veel toepassingen, zoals katalyse, zijn clusters of moleculen relevanter dan afzonderlijke atomen, dus het is logisch om op grotere eenheden te werken dan alleen atomen, "Hyninen, aan de Aalto University en de Tampere University of Technology in Finland, vertelde Phys.org . "Ook, als je iets van behoorlijke omvang (op nanoschaal) wilt bouwen, is het makkelijker als je grotere bouwstenen kunt gebruiken. Natuurlijk, je zou nooit iets produceren met nanomanipulatie - het is veel te inefficiënt. Nanomanipulatie is een technologie waarmee je met absolute precisie structuren kunt ontwerpen voor verder onderzoek."

In de afgelopen jaren, wetenschappers hebben aangetoond hoe atomaire clusters kunnen worden verplaatst met behulp van een contactloze atomaire krachtmicroscoop (nc-AFM), die werkt vanwege een weerzinwekkende interactie die ontstaat tussen het cluster en de punt wanneer ze slechts een paar angstrom van elkaar verwijderd zijn. Over het algemeen, atomaire clusters kunnen op twee manieren worden verplaatst door een contactloze punt:door de punt van direct boven de cluster te laten zakken (wat de onderzoekers hier "schoppen" noemen), en door de punt vanaf de zijkant naar het cluster te bewegen (wat de onderzoekers hier "glijden" noemen).

Hoewel schoppen en glijden beproefde manieren bieden om atomaire clusters te verplaatsen, beide methoden worden beperkt door de scanrichting van de tip. Dat is, de richting van de beweging van het cluster hangt af van de positie van de punt.

In de nieuwe studie de wetenschappers hebben aangetoond dat, door gebruik te maken van de natuurlijke gebreken in het substraat waarop de atomen liggen, ze kunnen atomaire clusters verplaatsen op een manier die niet volledig wordt beperkt door de positie van de punt. Zoals de onderzoekers in hun paper en in de YouTube-video uitleggen, een NaCl-substraat kan leegstandsdefecten hebben door ontbrekende Na-ionen en Cl-ionen. Toen de onderzoekers enkele neutrale goudatomen afzetten op het isolerende NaCl-substraat, ze merkten op dat de vacatures fungeren als nucleatieplaatsen waardoor de goudatomen en clusters zich aan het substraat kunnen hechten.

De onderzoekers ontdekten dat goudclusters zich op verschillende manieren binden aan Na-ion-vacatures en Cl-ion-vacatures. Een cluster bindt zich aan een Na-ion-leegstand langs een van de randen van het cluster, zodat het zich oriënteert met een nabijgelegen rij Cl-ionen. De energetisch favoriete bewegingsmodus van de cluster is om in een rechte lijn langs de rij Cl-ionen te glijden, evenwijdig aan de verlijmde rand. In tegenstelling tot, een cluster bindt zich aan een Cl-ionenvacature in een van de hoeken van het cluster in plaats van aan een rand. Dit cluster beweegt het liefst door rond zijn verbonden hoek te draaien, omdat het zich voortdurend probeert te heroriënteren met naburige ionen. Als resultaat, het cluster kan in een zigzagpad in elke richting bewegen.

Toen de onderzoekers een nc-AFM binnenbrachten om het oppervlak van boven en van opzij te scannen, ze ontdekten dat ze clusters van goudatomen van 5 nm (ongeveer 2000-2500 atomen) op verschillende manieren konden verplaatsen, afhankelijk van het type defect waaraan de clusters waren gehecht. Wetende dat Na-ionvacatures het dominante defect zijn op een deel van het substraat dat step-edges wordt genoemd, en Cl ion-vacatures komen vaker voor op een deel dat het terras wordt genoemd, de onderzoekers konden de verschillende soorten clusterbewegingen toeschrijven aan de verschillende soorten vacatures. Clusters op de trapranden bewogen altijd in een rechte lijn in een bepaalde richting, terwijl clusters op het terras gemakkelijk in verschillende richtingen konden worden verplaatst.

De bijdragen van de defecten aan de beweging van de clusters bieden wetenschappers een extra manier om clusters te manipuleren met behulp van een nc-AFM. De onderzoekers hopen dat dit mechanisme kan worden benut om nanostructuren te bouwen en, in een omgekeerd proces, de bewegingen van de clusters kunnen worden gebruikt om de soorten defecten op een substraat te helpen identificeren. Zoals de onderzoekers uitlegden, het kan mogelijk zijn om de defecten op substraten te beheersen, en daarmee de beweging van clusters te controleren.

"Vrijwel alle materialen hebben gebreken zoals leegstand, en vaak verschijnen ze ook op de oppervlakken, Hynninen zei. "Defecten kunnen ontstaan ​​of verwijderd worden, bijvoorbeeld door bestraling of warmtebehandeling. Een bekend voorbeeld is bestraling van edelstenen, waar de kleur van edelstenen wordt gecontroleerd door ze bloot te stellen aan straling. Door de straling ontstaan ​​defecten in de kristallen en deze tasten de optische eigenschappen van de edelstenen aan. In principe, men zou dergelijke methoden kunnen gebruiken om de defecten en dus de beweging van clusters te beheersen. Hoe dit precies werkt, hangt af van het substraat en de clusters."

© 2013 Phys.org