Goudatomen als kralen in een ketting

 Elektrische en mechanische eigenschappen van materialen verschillen niet wanneer we een stuk van het materiaal bekijken met afmetingen van millimeters of van kilometers. Zodra de afmetingen echter in de buurt komen van de grootte van een enkel atoom, is al onze kennis van materiaaleigenschappen niet meer geldig. Recent onderzoek op dit gebied heeft al veel verrassingen opgeleverd. In samenwerking met onderzoekers in Madrid hebben drs. Alex Yanson en dr. Jan van Ruitenbeek van de Universiteit Leiden en FOM-onderzoeker drs. Helko van den Brom nu laten zien dat tijdens het verbreken van een contact tussen twee gouddraadjes, dit contact in het laatste stadium niet verbreekt op het moment dat het nog slechts uit één atoom bestaat, zoals men zou verwachten, maar dat zich op dat moment een keten vormt van goudatomen, soms tot zeven atomen lang.Het belang van de ontdekking is dat het een nieuw licht werpt op de mechanische eigenschappen van metalen op die kleine schaal, hetgeen kan bijdragen aan een beter begrip van wrijving en slijtage van metaaloppervlakken. Verder toont het onderzoek aan dat draden met een dikte van slechts één atoom stabiel zijn en op relatief eenvoudige manier gemaakt kunnen worden. Dit laatste is van belang voor onderzoek van elektronische circuits op de kleinst mogelijke schaal. Hoewel de afmetingen van componenten in praktische elektronische circuits in computerchips op industriële schaal nog enkele honderden malen groter zijn dan de afmeting van een atoom, wordt in laboratoria wereldwijd al veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van veel kleinere schakelingen. Bovendien vormen de atomaire metaaldraden perfecte ééndimensionale geleiders, waarvoor theoretisch fysici al lang bijzondere geleidingseigenschappen hebben voorspeld.

Spelen met atomen
De onderzoekers ontdekten de vorming van de atomaire keten in hun onderzoek naar de eigenschappen van metaalcontacten ter grootte van enkele atomen. Deze contacten worden gemaakt door twee schone metaalpunten met elkaar in contact te brengen en vervolgens dit contact zéér geleidelijk los te trekken. Het trekken van dit contact gebeurt met behulp van een piëzo-elektrisch kristal, dat de eigenschap heeft dat de lengte van dit kristal een klein beetje verandert wanneer er een elektrische spanning op wordt gezet. Terwijl het contact zo wordt uitgerekt, meet men de weerstand van het contact. In het laatste stadium neemt die weerstand stapsgewijze toe, telkens wanneer het contact met één atoom afneemt, totdat het contact breekt bij het laatste atoom.

Tot verrassing van de onderzoekers zagen zij bij dergelijke experimenten met goudcontacten, dat het contact niet brak bij verder oprekken wanneer de weerstand een waarde had bereikt die overeenkomt met een enkel atoom. De weerstand bleef vrijwel constant, terwijl het contact werd opgerekt tot een afstand die overeenkomt met zeven goudatomen op een rijtje. Men begon toen te vermoeden dat zich een keten van atomen vormt, maar dit was volkomen onverwacht. Waarom breekt het contact niet simpelweg op het zwakste punt?

Met de gebruikte techniek kan de atomaire structuur van het contact niet direct zichtbaar gemaakt worden. Toch waren de onderzoekers in staat het vermoeden van de vorming van een keten te bewijzen, eenvoudig door te 'spelen' met de atomaire ketens. Wanneer men doorgaat met oprekken breekt de keten uiteindelijk. De atomen vallen dan terug op het metaaloppervlak; om weer in contact te komen moet men de metaalpunten terugbewegen over een afstand die gelijk is aan de lengte van de keten. Dit werd inderdaad geconstateerd. Verder bleek dat de ketens breken bij een lengte die overeenkomt met veelvouden van de diameter van een atoom. Tot slot bleek het mogelijk één van de uiteinden van de keten zijwaarts te slingeren zonder dat de keten brak, over een afstand die vergelijkbaar is met de lengte van de keten. Deze eigenschappen samen vormen een overtuigend bewijs voor het bestaan van de atomaire ketens.

Het kleinst mogelijke sieraad
De mechanische eigenschappen van metalen op microscopische schaal worden tot nu toe beschreven met theoretische modellen die de bindingskrachten tussen de metaalatomen afleiden uit de macroscopische eigenschappen van metalen. Men vermoedde al wel dat deze methode niet erg betrouwbaar is; de nieuwe experimenten vormen een gevoelige test voor de rekenmethoden. Inmiddels hebben berekeningen, uitgevoerd door onderzoekers in Kopenhagen en in Oxford, laten zien dat de vorming van de ketens bij bepaalde benaderingen inderdaad optreedt.

De elektrische eigenschappen van de ketens zijn eveneens zeer bijzonder. In een recente publicatie van hetzelfde team, in samenwerking met Elke Scheer en Cristian Urbina in Saclay nabij Parijs, eveneens in Nature, werd aangetoond dat de geleiding door een metaalatoom bepaald wordt door zijn chemische valentie. Aangezien goud de valentie 1 heeft, is er precies één geleidingspad door het atoom beschikbaar en wordt de weerstand van het contact gegeven door h/2e² = 12,9 kilo-Ohm. De weerstand wordt dus bepaald door puur fundamentele natuurconstanten, namelijk de constante van Planck, h, en de lading van een elektron, e. In tegenstelling tot een gewone metaaldraad hangt deze weerstand niet af van de lengte van de draad; de elektrische weerstand van de atomaire ketens is inderdaad onafhankelijk van hun lengte.

Het onderzoek werpt vele nieuwe vragen op. Naast de bovengenoemde fundamentele vragen over elektrische geleiding in ééndimensionale geleiders, zal verder onderzoek zich toespitsen op de vraag waarom de ketens worden gevormd. Tot nu toe zijn voor andere metalen nog geen aanwijzingen gevonden dat dit verschijnsel zich ook voordoet. Men zou de ketting van atomen kunnen beschouwen als het kleinst mogelijke sieraad en in die zin is het een opmerkelijk toeval dat dit juist voor goud wordt waargenomen.

Gelijktijdige ontdekking
In hetzelfde nummer van het tijdschrift Nature verschijnt een tweede artikel waarin de ontdekking van ketens van goudatomen wordt beschreven. Dit is werk van professor K. Takayanagi en zijn groep, van het Tokyo Institute of Technology in Japan. Hij en zijn medewerkers maken gebruik van een zeer geavanceerde elektronenmicroscoop waarmee het mogelijk is de individuele atomen in de keten direct waar te nemen.

Het komt vaker voor dat onderzoekers onafhankelijk van elkaar en vrijwel gelijktijdig een nieuwe ontdekking rapporteren, maar het is opmerkelijk dat de twee resultaten hier op dezelfde datum in hetzelfde tijdschrift verschijnen. De twee groepen hebben met zeer verschillende technieken gewerkt en geven daarom een prachtige aanvulling en bevestiging van elkaars resultaten.

Voor verdere informatie kan men contact opnemen met dr. J.M. van Ruitenbeek, Kamerlingh Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 54 50, fax (071) 527 54 04.