Det fineste guldstøv i verden

(Phys.org) -- Forskere ved Wiens teknologiske universitet fandt en metode til at lokalisere enkelte guldatomer på en overflade. Dette skulle bane vejen for bedre og billigere katalysatorer.

De fleste mennesker værdsætter store klumper guld - men forskere ved Wiens teknologiske universitet er interesserede i guld i mindst mulig skala, fordi enkelte guldatomer potentielt er de mest reaktive katalysatorer for kemiske reaktioner. Imidlertid, Når guldatomer placeres på en overflade, har de en tendens til at kugle sammen til små klumper, der består af flere atomer. Et hold af overfladeforskere formåede nu at fiksere enkelte guldatomer på specielle steder på en jernoxidoverflade. Dette kunne åbne døren til mere effektive katalysatorer, kræver mindre af det dyrebare materiale.

Guld er et ædelmetal og binder normalt ikke til andre elementer, men som katalysator letter den kemiske reaktioner. Det kan, for eksempel, lette omdannelsen af ​​giftig kulilte til kuldioxid. Effektiviteten af ​​guld som katalysator afhænger af størrelsen af ​​guldpartiklerne. Nogle beviser tyder på, at det virker bedst, hvis guldet er til stede i form af enkelte atomer. Indtil nu, imidlertid, dette kunne ikke studeres i detaljer. "Hvis individuelle guldatomer sættes på en overflade, de plejer at samle sig, danner nanopartikler", siger Gareth Parkinson, som forestod forsøgene i professor Ulrike Diebolds forskningsgruppe ved Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien.

Højere temperaturer fører til en højere mobilitet af guldatomerne, så for at stoppe atomerne i at klynge sig sammen, de fleste overflader skal afkøles til en temperatur så lav, at de ønskede kemiske reaktioner ville stoppe helt. Forskerne ved TU Wien fandt en særlig slags jernoxidoverflade, som låser de enkelte guldatomer på plads.

Nøglen til succes er en lille deformation af jernoxidkrystalstrukturen. Iltatomerne i det øverste lag er ikke justeret i helt lige linjer, de bøjes til vrikker af atomerne nedenfor. På de punkter, hvor linjerne af iltatomer er tæt på hinanden, guldatomerne hæfter permanent uden at miste grebet. Selvom overfladen er opvarmet, guldatomerne bliver siddende – først ved 500 grader celsius begynder de at danne klynger.

"Når et guldatom rammer jernoxidoverfladen, det diffunderer til et af stederne, hvor det kan fæstnes til overfladen”. siger Gareth Parkinson. Den vej, mange enkelte guldatomer kan placeres tæt på hinanden. Når et guldatom rammer en position, der allerede er besat af et andet guldatom, imidlertid, de to binder sig og begynder at bevæge sig hen over overfladen, opsamler yderligere guldatomer undervejs. Når de har nået en kritisk størrelse på mindst fem atomer, de bliver ubevægelige igen, og miniatureguldklumpen falder til ro.

Ulrike Diebold forventer, at den nye metode vil besvare vigtige åbne spørgsmål om katalyse. "Vi har skabt et ideelt modelsystem til at undersøge den kemiske reaktivitet af enkelte atomarter", siger Diebold. De seneste eksperimenter vil også bidrage til at fremme teoretisk forskning:den kvantemekanisk komplekse binding mellem enkelte atomer og denne særlige overflade giver et glimrende testcase for teoretiske beregninger af stærkt korrelerede elektronsystemer.