(Phys.org) -- Forskare vid Wiens tekniska universitet hittade en metod för att lokalisera enstaka guldatomer på en yta. Detta borde bana väg för bättre och billigare katalysatorer.

De flesta värdesätter stora guldbitar – men forskare vid Wiens tekniska universitet är intresserade av guld i minsta möjliga skala, eftersom enstaka guldatomer potentiellt är de mest reaktiva katalysatorerna för kemiska reaktioner. Dock, när guldatomer placeras på en yta tenderar de att kullas till små klumpar som består av flera atomer. Ett team av ytforskare lyckades nu fixa enstaka guldatomer på speciella platser på en järnoxidyta. Detta kan öppna dörren till effektivare katalysatorer, kräver mindre av det dyrbara materialet.

Guld är en ädel metall och binder vanligtvis inte till andra element, men som katalysator underlättar den kemiska reaktioner. Det kan, till exempel, underlätta omvandlingen av giftig kolmonoxid till koldioxid. Effektiviteten av guld som katalysator beror på storleken på guldpartiklarna. Vissa bevis tyder på att det fungerar bäst om guldet finns i form av enstaka atomer. Än så länge, dock, detta kunde inte studeras i detalj. "Om enskilda guldatomer sätts på en yta, de brukar samlas, bildar nanopartiklar", säger Gareth Parkinson, som övervakade experimenten i professor Ulrike Diebolds forskargrupp vid Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien.

Högre temperaturer leder till en högre rörlighet för guldatomerna, så för att stoppa atomerna från att samlas, de flesta ytor måste kylas till en temperatur så låg att de önskade kemiska reaktionerna skulle avbrytas helt. Forskarna vid TU Wien hittade en speciell typ av järnoxidyta, som låser de enskilda guldatomerna på plats.

Nyckeln till framgång är en liten deformation av järnoxidkristallstrukturen. Syreatomerna i det översta lagret är inte inriktade i perfekt raka linjer, de böjs till vickningar av atomerna nedanför. På de punkter där syreatomernas linjer är nära varandra, guldatomerna fäster permanent utan att tappa greppet. Även om ytan är uppvärmd, guldatomerna stannar kvar – först vid 500 grader celsius börjar de bilda kluster.

"När en guldatom träffar järnoxidytan, den diffunderar till en av platserna där den kan fästas på ytan”. säger Gareth Parkinson. På det sättet, många enstaka guldatomer kan placeras nära varandra. När en guldatom träffar en position som redan är upptagen av en annan guldatom, dock, de två binder samman och börjar röra sig över ytan, plocka upp ytterligare guldatomer längs vägen. När de har nått en kritisk storlek på minst fem atomer, de blir orörliga igen och miniatyrguldklimpen kommer till vila.

Ulrike Diebold förväntar sig att den nya metoden kommer att svara på viktiga öppna frågor om katalys. "Vi har skapat ett idealiskt modellsystem för att undersöka den kemiska reaktiviteten hos enskilda atomarter", säger Diebold. De senaste experimenten kommer också att bidra till att främja teoretisk forskning:den kvantmekaniskt komplexa bindningen mellan enstaka atomer och denna speciella yta ger ett utmärkt testfall för teoretiska beräkningar av högkorrelerade elektronsystem.