Atomin täydellinen laskeutuminen atomihilaan

Wienin yliopiston ja TU Wienin tutkimusryhmä on onnistuneesti upottanut yksittäisiä platina-atomeja ultraohueen materiaaliin ja ensimmäistä kertaa paikantanut niiden sijainnit hilan atomitasolla.

Tämä läpimurto saavutettiin käyttämällä uutta lähestymistapaa, joka yhdistää vikasuunnittelun isäntämateriaalissa, platina-atomien hallitun sijoittelun ja huippuluokan, korkean kontrastin elektronikuvantamistekniikan, joka tunnetaan nimellä ptykografia.

Nano Letters -lehdessä julkaistut tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia materiaalien tarkkaan räätälöintiin atomitasolla.

Materiaalien suorituskyvyn parantaminen sovelluksissa, kuten katalyysissä tai selektiivisessä kaasun havaitsemisessa, edellyttää niiden rakenteen atomitason hallintaa. Ratkaisevan tärkeitä tässä ovat niin sanotut aktiiviset keskukset - pienet kohdat materiaalin pinnalla, joissa tapahtuu kemiallisia reaktioita tai kaasumolekyylit voivat spesifisesti sitoutua. Nämä keskukset ovat erityisen tehokkaita, kun ne koostuvat yksittäisistä metalliatomeista, kuten platinasta. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tällaisia materiaaleja ja samanaikaisesti visualisoida niiden rakenne tarkasti atomitasolla.

Isäntämateriaali, molybdeenidisulfidi (MoS2), on erittäin ohut puolijohde, jolla on erittäin viritettävä rakenne. Uusien aktiivisten kohtien luomiseksi tutkijat käyttivät heliumionisäteilytystä luodakseen tarkoituksella atomitason virheitä – kuten rikkivakansseja – MoS2-pinnalle. Nämä vajaat paikat täytettiin sitten valikoivasti yksittäisillä platina-atomeilla. Tämä tarkka atomien korvaaminen mahdollistaa materiaalin ominaisuuksien hallitun säätämisen tiettyjä sovelluksia varten.

Tutkimuksen Wienin yliopistossa aloittanut ja sitä TU Wienissä jatkanut tutkimuksen pääkirjoittaja David Lamprecht korostaa tämän lähestymistavan merkitystä: ”Vikasuunnittelun, dopingin ja ptykografian yhdistelmällä pystyimme visualisoimaan jopa hienovaraisia eroja atomihilassa – ja määrittämään selvästi, oliko platina-atomi liittynyt tyhjään kohtaan vai lepäsikö se vain löyhästi pinnalla.” Tietokonesimulaatioiden avulla eri liittymiskohdat – kuten rikin tai molybdeenin paikat – voitiin tunnistaa tarkasti, mikä oli ratkaiseva askel kohti kohdennettua materiaalisuunnittelua.

Kohdennettujen atomien sijoittelun ja atomitarkan kuvantamisen yhdistelmä avaa uusia mahdollisuuksia kahdella tulevaisuuden keskeisellä alalla: katalyysissä ja kaasun tunnistusmenetelmissä. Yksittäiset platina-atomit, jotka on sijoitettu tarkasti määriteltyihin kohtiin, voivat toimia erittäin tehokkaina katalyytteinä – esimerkiksi ympäristöystävällisessä vedyn tuotannossa. Samalla materiaalia voidaan räätälöidä reagoimaan vain tiettyihin kaasumolekyyleihin.

”Tämän atomien sijoittelun hallinnan avulla voimme kehittää valikoivasti funktionalisoituja antureita – merkittävä parannus nykyisiin menetelmiin verrattuna”, korostaa Jani Kotakoski, tutkimusryhmän johtaja Wienin yliopiston fysiikan tiedekunnassa.

Tämä metodologinen lähestymistapa ei rajoitu platinaan ja MoS2:een, ja sitä voidaan periaatteessa soveltaa moniin muihinkin 2D-materiaalien ja seostusaineiden atomien yhdistelmiin.

Aiheesta aiemmin:

Suprajohteita vaikka atomi kerrallaan

Vihreää vetyä edullisemmin

Atomi kerrallaan