Clusters van goudatomen vormen bijzondere piramide

De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Kleine deeltjes of clusters samengesteld uit enkele atomen zijn meestal sferisch. Ze zijn doorgaans als schillen van atomen rond een centraal atoom georganiseerd. Dat is zo voor veel elementen, maar niet voor goud! Experimenten en geavanceerde berekeningen hebben aangetoond dat vrijstaande clusters van twintig goudatomen de vorm van een piramide aannemen. Ze hebben een driehoekig grondvlak van tien netjes gestapelde atomen, dan driehoekige laagjes van zes en drie atomen, met tenslotte een enkel atoom er bovenop. Deze merkwaardige tetrahedrale structuur werd nu in beeld gebracht met een bewegendesonde-microscoop. Dit hoogtechnologisch toestel kan individuele atomen in beeld brengen. Het werkt bij extreem koude temperaturen (269 graden onder nul) en gebruikt kwantumtunneling van een elektrische stroom vanuit een scherpe bewegende sonde doorheen de cluster en naar het substraat. Bij kwantumtunneling vloeit er een elektrische stroom tussen twee geleiders zonder fysiek contact tussen de twee geleiders.

Onderzoekers hebben in een complexe opstelling onder vacuüm intense plasma’s gebruikt om goudatomen te sputteren van een macroscopisch stukje goud. "Een aantal atomen klitten daarna terug samen en vormen clusters bestaande uit enkele tot enkele tientallen atomen, in een proces dat vergelijkbaar is met de condensatie van watermoleculen tot druppels," zegt Zhe Li, momenteel verbonden aan Harbin Institute of Technology. "Hieruit selecteerden we een bundel van clusters die uit exact twintig goudatomen bestaan. We plaatsten deze clusters met één van de driehoekige zijvlakken op een substraat waarop we vooraf een zeer dunne laag keukenzout (NaCl) hadden aangebracht, precies drie atoomlagen dik."

Merkwaardige elektronische structuur  

De studie toonde ook de merkwaardige elektronische structuur van deze kleine driehoekige gouden piramide. Heel gelijkaardig aan edelgasatomen of aromatische moleculen, heeft deze cluster alleen maar gevulde elektronenschillen, waardoor ze veel minder reactief zijn dan clusters met één of meerdere atomen meer of minder.

Het is bekend dat goudclusters van een paar tot enkele tientallen atomen bijzondere eigenschappen bezitten. Dankzij de gedetailleerde informatie uit deze studie kunnen wetenschappers de katalytische en optische werking van de kleine goudclusters verder bestuderen. Als katalysator bijvoorbeeld zouden de goudclusters de snelheid van chemische reacties kunnen beïnvloeden zonder zelf verbruikt te worden. Verdere onderzoek op deze clusters is erg relevant voor het ontwerp van clustergebaseerde katalysatoren en optische toestellen. Recent werden onder meer toepassingen van clusters voorgesteld in brandstofcellen en koolstofvangst.