Virginia Commonwealth University-forskare har upptäckt en ny strategi för att skapa superatomer - kombinationer av atomer som kan efterlikna egenskaperna hos mer än en grupp av element i det periodiska systemet. Dessa superatomer kan användas för att skapa nya material, inklusive effektivare batterier och bättre halvledare; en kärnkomponent i mikrochips, transistorer och de flesta datoriserade enheter.

Batterier och halvledare är beroende av laddningarnas rörelse från en grupp av atomer till en annan. Under denna process, elektroner överförs från donatoratomer till acceptoratomer. Att bilda superatomer som kan leverera eller ta emot flera elektroner samtidigt som strukturell stabilitet bibehålls är ett nyckelkrav för att skapa bättre batterier eller halvledare, sa Shiv Khanna, Ph.D., Commonwealth -professor och ordförande för Institutionen för fysik vid College of Humanities and Sciences. Superatomers förmåga att effektivt flytta laddningar samtidigt som de förblir intakta tillskrivs hur de efterliknar egenskaperna hos flera grupper av element.

"Vi har utarbetat ett nytt tillvägagångssätt där man kan syntetisera sådana metallbaserade superatomer, Sa Khanna.

I en tidning publicerad i Naturkommunikation förra veckan, Khanna bevisade teoretiskt en metod för att bygga superatomer som kunde resultera i skapandet av mer effektiva energimaterial. Arbetet finansierades av Air Force Office of Scientific Research.

"Halvledare används i alla sfärer av livet, " sade Khanna. "Superatomer som avsevärt skulle kunna förbättra elektrondonation skulle vara en betydande samhällsnytta."

För närvarande, alkali atomer, som utgör den första kolumnen i det periodiska systemet, är optimala för att donera elektroner. Dessa naturligt förekommande atomer kräver en liten mängd energi för att donera en elektron. Dock, att donera mer än en elektron kräver en oöverkomligt hög mängd energi.

Khanna och kollegor Arthur Reber, docent i fysik, och Vikas Chauhan, en postdoktor vid institutionen för fysik, har skapat en process genom vilken kluster av atomer kan donera eller ta emot flera elektroner med låga energinivåer.

"Möjligheten att ha dessa byggstenar som kan acceptera flera avgifter eller donera flera avgifter skulle så småningom få omfattande tillämpningar inom elektronik, " sa Khanna.

Även om sådana superatomer redan har gjorts, det har aldrig funnits en vägledande teori för att göra så effektivt. Khanna och hans kollegor har en teori om att organiska ligander - molekyler som binder metallatomer för att skydda och stabilisera dem - kan förbättra utbytet av elektroner utan att kompromissa med energinivåerna.

De betraktade denna teori med hjälp av grupper av aluminiumkluster blandade med bor, kol, kisel och fosfor, parat med organiska ligander. Med hjälp av beräkningsanalys, de visade att klustret skulle använda ännu mindre energi för att donera en elektron än francium, den starkaste naturligt förekommande alkalielektrondonatorn.

"Vi kan använda ligander för att ta alla grupper av atomer och förvandla den till antingen en donator eller acceptor av elektroner, "Sa Khanna. "Vi kan bilda elektrondonatorer som är starkare än något element som finns i det periodiska systemet."