A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Eeuwenlang hebben wetenschappers begrepen dat de vaste wereld is opgebouwd uit atomen, minuscule deeltjes die aan elkaar koppelen om kristallen met herhalende patronen te vormen. In deze patronen zijn de atomen zo klein en bewegen ze zo snel dat het observeren van hun kristalvorming lijkt op het proberen te bekijken van een enkele regendruppel die in een storm valt; het proces gebeurt te snel om te zien. Om te begrijpen hoe kristallen groeien, hebben onderzoekers lang gerekend op het gebruik van grotere bouwstenen die fungeren als atomen, maar traag genoeg bewegen om geobserveerd te worden. Ze noemen deze grotere blokken "superatomen". Dit zijn geen enkelvoudige atomen, maar precieze clusters van vele atomen die zo stevig aan elkaar plakken dat ze zich gedragen als een enkele, grotere eenheid met een eigen elektronische persoonlijkheid. De uitdaging is geweest om deze superatomen sterk genoeg aan elkaar te laten plakken om een echt kristal te vormen, in plaats van dat ze slechts losjes rondzweven of uit elkaar vallen.

Een team van onderzoekers is er nu in geslaagd om een plat, tweedimensionaal kristal te creëren dat volledig bestaat uit deze superatomen, en voor het eerst hebben ze de bouwstenen zien bewegen, binden en zichzelf repareren in realtime. De wetenschappers werkten met clusters gemaakt van palladium en selenium, specifiek groepen bestaande uit zes palladiumatomen omringd door twintig of eenentwintig seleniumatomen. Deze clusters zijn enorm groot vergeleken met enkelvoudige atomen en wegen meer dan tweeduizend keer zoveel als een waterstofatoom. Omdat ze zo zwaar zijn, bewegen ze veel langzamer dan gewone atomen, waardoor de onderzoekers hun assemblage konden filmen met een krachtige elektronenmicroscoop. Het team ontdekte dat deze clusters niet alleen naast elkaar liggen; ze binden met elkaar met een sterkte die vergelijkbaar is met de chemische bindingen die atomen in metalen bij elkaar houden, waardoor een stabiel, herhalend rooster ontstaat.

De onderzoekers begonnen met het maken van een dunne film van amorf, of ongeordend, materiaal dat de juiste mix van palladium en selenium bevat. Om te voorkomen dat het materiaal tijdens het verhittingsproces seleniumatomen verliest, hadden ze de film tussen twee lagen grafeen geplaatst, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Vervolgens gebruikten ze een zwakke laser om een klein plekje op dit 'sandwich'-materiaal voorzichtig te verwarmen, waardoor het ongeordende materiaal kristalliseerde in de superatomaire structuur. Wanneer ze het resultaat bekeken met een hogeresolutiemicroscoop, zagen ze een perfect rooster van heldere stippen. Elke stip vertegenwoordigde een enkele superatomaire cluster. Door de helderheid en de rangschikking van deze stippen te analyseren, bevestigde het team dat de clusters in een specif afgestemd, herhalend patroon waren gerangschikt, vergelijkbaar met de tegels op een vloer, maar met een afstand van ongeveer 8,64 angstrom tussen elke eenheid.

Binnen dit kristal zijn de superatomen niet allemaal identiek. De onderzoekers ontdekten twee hoofdtypen clusters: één met een hol centrum en een andere met een seleniumatoom dat dat centrum vult. Ondanks deze interne verschillen binden ze sterk aan elkaar. De afstand tussen de randen van naburige clusters is ongeveer 3,50 angstrom, een gat dat te klein is om door hen te worden vastgehouden door zwakke, passieve krachten, maar te groot voor een standaard atomaire binding. Berekeningen suggereren dat de clusters bij elkaar worden gehouden door een mix van chemische binding en zwakkere krachten, wat een bindingsenergie creëert die sterk genoeg is om het kristal intact te houden. Deze binding geeft het materiaal metallische eigenschappen, wat betekent dat het elektriciteit kan geleiden, wat een aanzienlijk verschil is met de bulkversie van dit materiaal die een halfgeleider is.

Wat deze ontdekking werkelijk uniek maakt, is de mogelijkheid om het kristal te zien groeien en te genezen. Omdat de superatomen zo massief zijn, is hun beweging traag genoeg om in een video te worden vastgelegd. De onderzoekers observeerden individuele clusters die zich losmaakten van een groep en over het oppervlak dwaalden voordat ze zich weer hechtten. Ze zagen ook kleine groepen clusters die een groter kristal naderden, roteerden om ermee uit te lijnen, en vervolgens op hun plaats klikten, waardoor het kristal effectief blok voor blok groeide. Dit proces, dat voor normale atomen een fractie van een seconde duurt, vindt plaats over een periode van enkele seconden in dit systeem, waardoor de wetenschappers de exacte stappen van nucleatie en groei kunnen zien.

Het team observeerde ook dat deze superatomaire kristallen dezelfde gebreken vertonen als gewone kristallen. Ze vonden lege plekken waar een cluster ontbrak, lijnen waar het patroon versprong, en grenzen waar twee verschillende kristalregio's elkaar ontmoetten. Wanneer de onderzoekers het materiaal gedurende een langere tijd aan de elektronenstraal blootstelden, zagen ze hoe deze grenzen genazen. Twee afzonderlijke kristalkorrels roteerden en smolten samen tot één grotere korrel, waarbij slechts vage sporen van de oorspronkelijke grens achterbleven. Dit vermogen om de geboorte, groei en reparatie van een kristal te observeren op het niveau van de fundamentele bouwstenen biedt een zeldzaam venster op de fysica van hoe vaste materie wordt gevormd. Door het proces te vertragen naar een menselijk zichtbare schaal, hebben de onderzoekers een model-systeem gecreëerd dat wetenschappers kan helpen de fundamentele regels van kristallisatie te begrijpen, niet alleen voor deze specifieke clusters, maar ook voor de atomaire kristallen die de wereld om ons heen vormen.