211service.com
Metaller blir molekylärlika på atomär skala, avslöjar materialforskare
En av de avgörande egenskaperna hos metaller är hur de hålls samman. I huvudsak sitter ett gitter av metalljoner i ett hav av delokaliserade elektroner och detta fungerar som ett slags lim som binder samman strukturen.
Dessa metalliska bindningar är helt olika de kovalenta bindningarna som håller ihop molekyler. Till att börja med är metallbindningar ett kollektivt fenomen som uppstår på grund av bulkbeteendet hos metalljoner och delokaliserade elektroner.
Dessutom har metalliska bindningar ingen föredragen riktning. Det är praktiskt eftersom det gör metallstrukturer stabila samtidigt som atomer enkelt kan läggas till eller tas bort.
Däremot bildas en kovalent bindning mellan två atomer och är starkt riktad. Dessa bindningar utgör skelettet som håller samman molekyler och tillåter skapandet av mycket komplexa strukturer, såsom buckyballs och proteiner.
Men hur är det med bindningen som håller ihop den enklaste metallstrukturen man kan tänka sig – två metallatomer som bildar en bro? Idag säger Harsh Deep Chopra och kompisar vid State University of New York i Buffalo att de har karakteriserat denna bindning vid rumstemperatur för första gången.
Deras häpnadsväckande upptäckt är att bindningen mellan två metallatomer blir molekylär i dessa situationer – med andra ord är den mycket starkare och mycket riktad. Och de säger att detta fynd har viktiga konsekvenser för utformningen och konstruktionen av framtida enheter i atomstorlek.
Deras experiment är i princip okomplicerat. De förde spetsen på ett atomkraftmikroskop precis tillräckligt nära en guldyta så att det skapade en bro med en enda atom. De drog sedan bort spetsen för att mäta hur mycket kraft det tog att bryta bron.
Resultaten är överraskande. Kraften som krävs för att bryta bindningarna mellan guldatomer i en bulkmetall är cirka 0,5 nanonewton. Men när två guldatomer isoleras i en bro tar det ungefär 2 nanonewton för att göra samma jobb. Det är eller fyra gånger kraften, som måste appliceras i en specifik riktning. (De fick liknande resultat med silver.)
Så bindningarna mellan metallatomer i en enhet i atomskala är både riktade och betydligt starkare än de i bulkmaterialet. Med andra ord blir bindningarna molekylärliknande i denna skala.
Det kan få viktiga konsekvenser för hur enheter i atomär skala är designade och byggda. Riktningsbindningarna ger hög konfigurationsstabilitet till metalliska enheter i atomstorlek, säger Chopra och co.
Dessutom är dessa enheter mindre benägna att drabbas av de komplikationer som uppstår från bulkmetallgränssnitt som kan sluta binda med alla typer av oönskat skräp. Det kan helt enkelt inte hända med riktningsbindningar.
Naturligtvis förlorar dessa metallbindningar snart sin riktningskaraktär när fler metallatomer tillsätts. Så en intressant fråga är hur långt detta fenomen kan utnyttjas för att göra molekylliknande strukturer. Det är ett problem för framtida arbete.
Men med trenden i miniatyrisering för mikroelektronik som nu närmar sig atomnivån, kommer en bättre förståelse för hur enheter i atomskala hålls samman säkert inte att gå fel.
Ref: http://arxiv.org/abs/1305.5582 : Metalliska bindningar blir molekylärliknande i enheter av atomstorlek