07.01.2020 - Katholieke Universiteit Leuven

Cluster aus Goldatomen bilden eigentümliche Pyramidenform

Cluster, die aus wenigen Atomen bestehen, sind in der Regel kugelförmig. Sie sind in der Regel in Atomhüllen um ein Zentralatom herum organisiert. Das ist bei vielen Elementen der Fall, aber nicht bei Gold! Experimente und fortschrittliche Berechnungen haben gezeigt, dass freistehende Cluster aus zwanzig Goldatomen eine pyramidale Form annehmen. Sie haben eine dreieckige Grundplatte aus zehn sauber angeordneten Atomen, mit zusätzlichen Dreiecken aus sechs und drei Atomen, die von einem einzigen Atom überragt werden.

Die bemerkenswerte tetraedrische Struktur wurde nun erstmals mit einem Rastertunnelmikroskop aufgenommen. Dieses High-Tech-Mikroskop kann einzelne Atome sichtbar machen. Er arbeitet bei extrem niedrigen Temperaturen (269 Grad unter Null) und nutzt das Quanten-Tunneling eines elektrischen Stroms von einer scharfen, scannenden Metallspitze durch den Cluster und in den Träger. Quanten-Tunneling ist ein Prozess, bei dem elektrischer Strom zwischen zwei Leitern ohne jeden physischen Kontakt zwischen ihnen fließt.

Die Forscher verwendeten intensive Plasmen in einer komplexen Vakuumkammeranordnung, um Goldatome aus einem makroskopischen Stück Gold zu sputtern. "Ein Teil der gesputterten Atome wächst zu kleinen Partikeln von einigen wenigen bis zu einigen zehn Atomen zusammen, durch einen Prozess, der mit der Kondensation von Wassermolekülen zu Tröpfchen vergleichbar ist", sagt Zhe Li, der Hauptautor der Arbeit, derzeit am Harbin Institute of Technology, Shenzhen. "Wir wählten einen Strahl von Clustern aus, die aus genau zwanzig Goldatomen bestehen. Wir haben diese Arten mit einer der dreieckigen Facetten auf einem Substrat gelandet, das mit einer sehr dünnen, genau drei Atomlagen dicken Schicht Kochsalz (NaCl) bedeckt ist".

Die Studie enthüllte auch die eigenartige elektronische Struktur der kleinen Goldpyramide. Ähnlich wie Edelgasatome oder aromatische Moleküle hat der Cluster nur vollständig gefüllte Elektronenorbitale, was sie wesentlich weniger reaktiv macht als Cluster mit einem oder wenigen Atomen mehr oder weniger.

Goldcluster von einigen wenigen bis zu mehreren Dutzend Atomen sind für ihre bemerkenswerten Eigenschaften bekannt. Die neue Entdeckung hilft den Wissenschaftlern, die katalytischen und optischen Leistungen dieser Cluster zu bewerten, was für die Entwicklung clusterbasierter Katalysator- und optischer Geräte relevant ist. Zu den jüngsten Anwendungen von Clustern gehören die Nutzung in Brennstoffzellen und die Kohlenstoffabscheidung.

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