Vrijstaande clusters van 20 goudatomen hebben de vorm van een piramide, onderzoekers hebben ontdekt. Dit in tegenstelling tot de meeste elementen, die zich organiseren door schillen rond één centraal atoom te vormen. Het team van onderzoekers onder leiding van de KU Leuven publiceerde hun bevindingen in wetenschappelijke vooruitgang .

Atoomclusters die uit een paar atomen bestaan, zijn meestal bolvormig. Ze zijn meestal georganiseerd in schillen van atomen rond een centraal atoom. Dit is het geval voor veel elementen, maar niet voor goud, zoals het blijkt. Experimenten en geavanceerde berekeningen hebben aangetoond dat vrijstaande clusters van 20 goudatomen een piramidale vorm aannemen. Ze hebben een driehoekig grondvlak dat bestaat uit 10 netjes gerangschikte atomen, met extra driehoeken van zes en drie atomen, met daarboven een enkel atoom [zie figuur waar een model van twintig sinaasappels wordt vergeleken met de theoretische en experimentele structuur].

De opmerkelijke tetraëdrische structuur is nu voor het eerst in beeld gebracht met een scanning tunneling microscoop. Deze hightech microscoop kan afzonderlijke atomen visualiseren. Het werkt bij extreem lage temperaturen (269 graden onder nul) en maakt gebruik van kwantumtunneling van een elektrische stroom van een scherp scannende metalen punt door het cluster en in de drager. Quantum tunneling is een proces waarbij elektrische stroom tussen twee geleiders vloeit zonder enig fysiek contact ertussen.

De onderzoekers gebruikten intense plasma's in een complexe opstelling van een vacuümkamer om goudatomen uit een macroscopisch stuk goud te sputteren. "Een deel van de gesputterde atomen groeit samen tot kleine deeltjes van enkele tot enkele tientallen atomen, door een proces vergelijkbaar met condensatie van watermoleculen tot druppeltjes, " zegt Zhe Li, de hoofdauteur van het artikel, momenteel aan het Harbin Institute of Technology, Shenzhen. "We selecteerden een bundel clusters bestaande uit precies twintig goudatomen. We landden deze soorten met een van de driehoekige facetten op een substraat bedekt met een heel dun laagje keukenzout (NaCl), precies drie atoomlagen dik."

De studie onthulde ook de eigenaardige elektronische structuur van de kleine gouden piramide. Net als bij edelgasatomen of aromatische moleculen, het cluster heeft alleen volledig gevulde elektronenorbitalen, waardoor ze veel minder reactief zijn dan clusters met één of enkele atomen meer of minder.

Van goudclusters met een grootte van enkele tot enkele tientallen atomen is bekend dat ze opmerkelijke eigenschappen bezitten.

De nieuwe ontdekking helpt wetenschappers de katalytische en optische prestaties van deze clusters te evalueren, wat relevant is voor het ontwerpen van op clusters gebaseerde katalysatoren en optische apparaten. Recente toepassingen van clusters zijn onder meer het gebruik in brandstofcellen en het afvangen van koolstof.