Mærkelige ting sker, når en krystal er delt i to

Den bemærkelsesværdige styrke af ioniske krystaller er let forklaret på atomær skala:Positivt og negativt ladede atomer sidder side om side i et gentaget periodisk arrangement. Den stærke elektrostatiske kraft imellem holder dem sammen.

Men hvad sker der, når det periodiske mønster får en brat ende? Forskere ved Wiens teknologiske universitet har omhyggeligt brudt kaliumtantalatkrystaller i bestemte retninger, og afbildede de resulterende overflader ved hjælp af et avanceret atomkraftmikroskop. Deres data blev kombineret med beregninger udført ved universitetet i Wien, og en række bemærkelsesværdige fænomener blev til sidst forklaret. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab , og er potentielt nyttige til teknologier som brintproduktion.

De sorte og hvide firkanter på et skakbræt veksler langs rækkerne og kolonnerne, og i en vinkel fra hjørne til hjørne, de vises som sorte og hvide rækker. De sorte og hvide firkanter i to dimensioner ligner en krystal i tre dimensioner:"Hvis man deler en kubisk krystal i en bestemt retning, man kan ende med kun positive eller kun negative ladninger ved overfladen. En sådan situation ville være meget ustabil, " forklarer prof. Ulrike Diebold fra Instituttet for Anvendt Fysik ved Wiens Teknologiske Universitet. En stabling af rent positive og negativt ladede lag ville resultere i et potentiale på millioner af volt på tværs af den lille prøve - videnskabsmænd kalder dette den "polære katastrofe. "For at undgå denne situation, atomerne skal reorganiseres. Men hvordan?

"Der er forskellige måder, hvorpå en overflade kan reagere, når vi spalter en krystal, " siger Martin Setvin, første forfatter til publikationen. "Elektroner kan ophobes på bestemte steder, krystalgitteret kan blive forvrænget, eller molekyler fra atmosfæren kan klæbe til overfladen, ændre dens egenskaber."

Via scanning tunnelmikroskop, det er umiddelbart tydeligt, at en krystal, der er brudt ved meget lav temperatur, har halvdelen af ​​det negativt ladede lag på den ene side, og halvdelen på den anden. Fordi de negative øer dækker præcis 50 procent af hver overflade, overfladen er elektrisk neutral. "Endnu, øen er stor, så den polære katastrofe undgås ikke fuldstændigt - feltet under dem ændrer materialets fysiske egenskaber, " siger Setvin.

Mærkeligt dog, ved at hæve overfladens temperatur lidt, øerne går i stykker, og atomerne danner en labyrint af takkede linjer. "Væggene" i denne labyrint er kun et atom høje og fire til fem atomer brede, og beregninger viser, at dette faktisk er en mere stabil konfiguration.

"Labyrintstrukturerne er ikke kun smukke, men også potentielt nyttige, " siger Diebold. "Det er præcis, hvad du vil have - små strukturer, hvor stærke elektriske felter opstår på atomær skala." Man kunne bruge dem, for eksempel, at muliggøre kemiske reaktioner, der ikke ville forløbe af sig selv - såsom spaltning af vand, at producere brint.

"At bruge disse mærkelige krystaloverflader i teknologien kræver, at vi forstår, hvad der foregår på atomskalaen, " understreger Setvin. "Det er derfor, mikroskopi er så vigtigt for os. I billeder i høj opløsning kan vi direkte observere individuelle atomer, se hvordan de bevæger sig, og endelig forstå, hvad naturen forsøger at gøre. Måske så, vi kan finde ud af, hvordan vi bruger det."