Het ontstaan van bulkmaterialen blootgelegd

De eigenschappen van een materiaal veranderen drastisch wanneer de grootte van het materiaal varieert van een enkel atoom tot bulkobjecten bestaande uit miljarden atomen. Terwijl er al veel informatie beschikbaar is over de twee uiterste afmetingen van veel materialen (het atoom en de bulk), zijn de eigenschappen van materialen ter grootte van ongeveer één nanometer nog grotendeels onbekend. En dat terwijl juist in dit gebied de meeste technologische vooruitgang wordt geboekt. Het streven naar snellere en efficientere computers wordt bijvoorbeeld gedomineerd door het almaar kleiner kunnen krijgen van de componenten in chips. Een ander voorbeeld is dat deeltjes op nanometerschaal een belangrijke rol spelen in de verwerking en vermindering van afval in de chemische industrie. Wanneer is een nanodeeltje zo groot, dat het op bulkmateriaal gaat lijken?

Het struikelblok in de studie naar deze nanodeeltjes is dat deeltjes met een goedgedefinieerde grootte moeilijk te produceren zijn in grote hoeveelheden en dat ze meestal chemisch zeer reactief zijn. Vaak is een speciaal reactievat vereist voor de productie van nanodeeltjes met een bepaalde grootte en zelfs dan leven ze slechts enkele duizendsten van een seconde tot ze de wand van het vat raken. Conventionele methodes, zoals NMR en röntgendiffractie, zijn dus over het algemeen niet toepasbaar om deze deeltjes te bestuderen. De structuur, en fysische en chemische eigenschappen van dit type deeltje zijn dan ook tot nu toe grotendeels onbekend gebleven.

Infraroodlicht met hoge intensiteit
Van Heijnsbergen, Fielicke, Meijer en Von Helden hebben in Nieuwegein nanodeeltjes gemaakt en een methode ontwikkeld waarmee ze de deeltjes tegelijk kunnen bestuderen. Belangrijkste schakel in het voor het eerst kunnen verkrijgen van inzicht in de structuur en geometrie van nanodeeltjes is de Free Electron Laser for Infrared eXperiments ofwel FELIX genaamd. Het unieke aan FELIX is dat de laser zeer intens infrarood licht produceert met golflengtes tussen de 2 en 250 micrometer, een bereik dat een conventionele laser tot nu toe niet haalde. In de laser, die een lengte heeft van ruim twintig meter, wordt gebruik gemaakt van elektronen die een snelheid hebben bijna gelijk aan de lichtsnelheid. Deze ultrasnelle elektronen passeren een rij permanente magneten met afwisselende polariteit. Door interactie van deze elektronen met de magneetvelden ontstaat infraroodlicht met een hoge intensiteit.

FELIX laat nanodeeltjes trillen
De onderzoekers produceren nanodeeltjes door onder vacuüm atomen vanaf de oppervlakte van het bulkmateriaal te verdampen. Ze gebruiken hiervoor laserpulsen met een hoge intensiteit met een golflengte van 532 nanometer (zichtbaar groen licht), afkomstig uit een 'gewone' laser. De atomen condenseren vrijwel direct, waarbij ze clusteren tot nanodeeltjes. De wetenschappers isoleren de ontstane deeltjes en beschieten de nanodeeltjes een fractie van een duizendste seconde later met infraroodlicht met een hoge intensiteit afkomstig van FELIX. Dit infrarode licht slaat trillingen aan in de moleculaire structuur van de nanodeeltjes. Vanwege de hoge intensiteit van het licht kan het nanodeeltje zo hard gaan trillen dat het spontaan een elektron uitzendt. Het achterblijvende nanodeeltje is positief geladen en dus makkelijk en nauwkeurig te detecteren met een massaspectrometer. Voorwaarde voor het aanslaan van een nanodeeltje is echter wel dat de kleur (en dus de frequentie) van het infrarode licht afkomstig van FELIX overeenkomt met de trillingsfrequentie van het nanodeeltje. Door de golflengte van het licht te variëren en de geladen nanodeeltjes te analyseren, ontstaat een zogenaamd vibratiespectrum van de geproduceerde nanoclusters. Het vibratiespectrum vertelt de onderzoekers veel over de structuur en geometrie van de deeltjes.

Structuur nanokristallen ontrafeld
In Nieuwegein onderzochten de onderzoekers deeltjes variërend in grootte van 8 tot 100 atomen en bestaande uit één van de metalen niobium (Nb) of tantalum (Ta) in combinatie met koolstofatomen (C). De verhouding metaal-koolstof was ongeveer 1:1.

Wanneer de nanodeeltjes twintig atomen groot waren, zagen de onderzoekers een opvallende verandering in het vibratiespectrum. Voor nanodeeltjes bestaande uit meer dan twintig atomen bleek het vibratiespectrum er vrijwel hetzelfde uit te zien als dat van het bulkmateriaal niobiumcarbide (NbC) of tantalumcarbide (TaC). De structuur van het nanodeeltje is dus vrijwel gelijk aan die van zijn miljarden keer grotere broer, een kubisch kristal met de metaal- en koolstofatomen om en om gerangschikt.

Voor nanodeeltjes kleiner dan twintig atomen verschilde het vibratiespectrum van het spectrum van de bulk. Een verklaring hiervoor zou kunnen zijn dat deze nanodeeltjes nog te weinig kristallaagjes hebben opgebouwd om alle mogelijke trillingen uit te kunnen voeren. Uit nader onderzoek moet nog blijken of de structuur dan nog steeds verwant is aan de structuur van de bulk. De onderzoekers hebben hiermee nu voor het eerst aangetoond bij welke grootte de structuur van een nanodeeltje overgaat in de structuur van de bulkmaterialen, en daarmee de geboorte van een bulkmateriaal blootgelegd.

Meer informatie bij dr. Gert von Helden, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, Nieuwegein, tel. (030) 609 69 99, http://www.rijnh.nl/.