Нанокластеры атомов золота образуют пирамидальную форму
Обычно атомные кластеры, состоящие из нескольких атомов, имеют тенденцию быть сферическими.
Ученые обнаружили, что отдельно стоящие нанокластеры из 20 атомов золота принимают форму пирамиды. Это контрастирует с большинством элементов, которые организуются, образуя оболочки вокруг одного центрального атома.
Атомные кластеры, состоящие из нескольких атомов, имеют тенденцию быть сферическими. Они обычно организованы в оболочках атомов вокруг одного центрального атома.
Это касается многих элементов, но не золота, как оказалось. Эксперименты и продвинутые вычисления показали, что автономные нанокластеры из 20 атомов золота принимают пирамидальную форму.
Они имеют треугольную плоскость основания, состоящую из 10 аккуратно расположенных атомов, с дополнительными треугольниками из шести и трех атомов, увенчанными одним атомом на вершине.
Замечательная тетраэдрическая структура впервые была получена с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Этот высокотехнологичный микроскоп может визуализировать отдельные атомы.
Он работает при чрезвычайно низких температурах (269 градусов ниже нуля) и использует квантовое туннелирование электрического тока от острого сканирующего металлического наконечника. Квантовое туннелирование — это процесс, в котором электрический ток протекает между двумя проводниками без какого-либо физического контакта между ними.
Исследователи использовали интенсивную плазму в сложной вакуумной камере для распыления атомов золота из макроскопического куска золота. «Часть распыленных атомов растут вместе от нескольких атомов до нескольких десятков атомов благодаря процессу, сравнимому с конденсацией молекул воды в капли», — говорит Чжэ Ли, главный автор статьи, в настоящее время работающий на Харбинский технологический институт в Шэньчжэне.
«Мы выбрали пучок кластеров, состоящий ровно из двадцати атомов золота. Мы высадили эти частицы с одной из треугольных граней на подложку, покрытую очень тонким слоем соли (NaCl), толщиной точно три атомных слоя».
Исследование также выявило своеобразную электронную структуру маленькой золотой пирамиды. Подобно атомам благородного газа или ароматическим молекулам, нанокластер имеет только полностью заполненные электронные орбитали, что делает их гораздо менее реактивными, чем кластеры с большим или меньшим количеством атомов.
Новое открытие поможет ученым оценить каталитические и оптические характеристики нанокластеров Au20, что важно для разработки кластерных катализаторов и оптических устройств. Последние применения кластеров включают использование в топливных элементах и улавливание углерода.
Zhe Li et al. Unraveling the atomic structure, ripening behavior, and electronic structure of supported Au20 clusters, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay4289