(Phys.org) — Springende siliciumatomen zijn de sterren van een ballet op atomaire schaal in een nieuw Natuurcommunicatie studie van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Het ORNL-onderzoeksteam documenteerde het unieke gedrag van de atomen door eerst groepen siliciumatomen te vangen, bekend als clusters, in een enkele atoom dikke laag koolstof genaamd grafeen. De siliciumclusters, samengesteld uit zes atomen, werden op hun plaats geprikt door poriën in de grafeenplaat, waardoor het team het materiaal direct in beeld kan brengen met een scanning transmissie-elektronenmicroscoop.

De "dansende" beweging van de siliciumatomen, gezien in een video hieronder, werd veroorzaakt door de energie die door de elektronenstraal van de microscoop van het team op het materiaal werd overgebracht.

"Het is niet de eerste keer dat mensen clusters van silicium hebben gezien, " zei co-auteur Juan Carlos Idrobo. "Het probleem is wanneer je er een elektronenstraal op plaatst, je brengt energie in het cluster en laat de atomen bewegen. Het verschil met deze resultaten is dat de verandering die we zagen omkeerbaar was. We konden zien hoe het siliciumcluster zijn structuur heen en weer verandert door een van zijn atomen te laten 'dansen' tussen twee verschillende posities."

Andere technieken om clusters te bestuderen zijn indirect, zegt Jaekwang Lee, eerste auteur van de ORNL-studie. "Met de conventionele instrumenten die worden gebruikt om clusters te bestuderen, het is nog niet mogelijk om de driedimensionale atomaire structuur van het cluster direct te identificeren, "zei Leen.

Het vermogen om de structuur van kleine clusters te analyseren is belangrijk voor wetenschappers omdat dit inzicht kan worden gebruikt om precies te begrijpen hoe verschillende atomaire configuraties de eigenschappen van een materiaal bepalen. Moleculen kunnen dan op maat worden gemaakt voor specifieke toepassingen.

"Het vastleggen van atomaire clusters in grafeen-nanoporiën met patronen kan mogelijk leiden tot praktische toepassingen op gebieden zoals elektronische en opto-elektronische apparaten, evenals katalyse, " zei Lee. "Het zou een nieuwe benadering zijn voor het afstemmen van elektronische en optische eigenschappen in materialen."

Het ORNL-team bevestigde zijn experimentele bevindingen met theoretische berekeningen, wat hielp verklaren hoeveel energie het siliciumatoom nodig had om heen en weer te schakelen tussen verschillende posities.