Den anmärkningsvärda styrkan hos jonkristaller är lätt att förklara på atomär skala:Positivt och negativt laddade atomer sitter sida vid sida i ett upprepande periodiskt arrangemang. Den starka elektrostatiska kraften däremellan håller dem samman.

Men vad händer när det periodiska mönstret tar ett abrupt slut? Forskare vid Wiens tekniska universitet har noggrant brutit kristaller av kaliumtantalat i specifika riktningar, och avbildade de resulterande ytorna med hjälp av ett toppmodernt atomkraftmikroskop. Deras data kombinerades med beräkningar utförda vid universitetet i Wien, och en rad anmärkningsvärda fenomen förklarades till slut. Resultaten publicerades i Vetenskap , och är potentiellt användbara för tekniker som väteproduktion.

De svarta och vita rutorna på ett schackbräde växlar längs raderna och kolumnerna, och i en vinkel från hörn till hörn, de visas som svarta och vita rader. De svarta och vita kvadraterna i två dimensioner liknar en kristall i tre dimensioner:"Om man delar en kubisk kristall i en viss riktning, man kan sluta med bara positiva eller bara negativa laddningar vid ytan. En sådan situation skulle vara mycket instabil, " förklarar prof. Ulrike Diebold vid Institutet för tillämpad fysik vid Wiens tekniska universitet. En stapling av rent positiva och negativt laddade lager skulle resultera i en potential på miljontals volt över det lilla provet - forskare kallar detta för "polär katastrofen. "För att undvika denna situation, atomerna måste omorganiseras. Men hur?

"Det finns olika sätt på vilka en yta kan reagera när vi delar en kristall, säger Martin Setvin, publikationens första författare. "Elektroner kan samlas på vissa platser, kristallgittret kan bli förvrängt, eller molekyler från atmosfären kan fastna på ytan, ändra dess egenskaper."

Via scanning tunnelmikroskop, det är omedelbart uppenbart att en kristall bruten vid mycket låg temperatur har hälften av det negativt laddade lagret på ena sidan, och hälften på den andra. Eftersom de negativa öarna täcker exakt 50 procent av varje yta, ytan är elektriskt neutral. "Än, ön är stor, så den polära katastrofen undviks inte helt – fältet under dem förändrar materialets fysiska egenskaper, säger Setvin.

Konstigt dock, genom att höja temperaturen på ytan något, öarna går isär och atomerna bildar en labyrint av taggiga linjer. "Väggarna" i denna labyrint är bara en atom höga och fyra till fem atomer breda, och beräkningar visar att detta verkligen är en mer stabil konfiguration.

"Labyrintstrukturerna är inte bara vackra utan också potentiellt användbara, " säger Diebold. "Det är precis vad du vill ha - små strukturer där starka elektriska fält uppstår på atomär skala." Man skulle kunna använda dem, till exempel, för att möjliggöra kemiska reaktioner som inte skulle fortgå av sig själva – som att vatten spjälkas, att producera väte.

"Att använda dessa konstiga kristallytor i teknik kräver att vi förstår vad som händer på atomär skala, " betonar Setvin. "Det är därför mikroskopi är så viktigt för oss. I högupplösta bilder kan vi direkt observera enskilda atomer, se hur de rör sig, och äntligen förstå vad naturen försöker göra. Kanske då, vi kan ta reda på hur vi ska använda det."