(Phys.org)—Inom nanovetenskap, det slutliga målet är att designa bättre material och anordningar genom att kontrollera atomernas positioner, molekyler, och molekylära kluster på ett substrat med exakt precision. I en ny studie, Forskare har utvecklat en ny metod för att kontrollera rörelserna och positionerna för klungor av guldatomer på ett isolerande substrat, inte bara genom att använda spetsen på ett mikroskop som vanligtvis görs, men också genom att använda atomstora defekter i själva substratet. Den ytterligare kontrollnivån som defekterna erbjuder kan visa sig vara användbar för att konstruera framtida nanoenheter och nanomaskiner.

Forskarna, Teemu Hynninen, et al., från institut i Finland och Frankrike, har publicerat sin studie om manipulering av guldnanokluster med hjälp av defekter i en NaCl-yta i ett färskt nummer av Vetenskapliga rapporter .

1990, forskare visade först att de kunde flytta enstaka atomer genom att trycka på dem med spetsen på ett scanning tunneling microscope (STM). Men även om rörelse av enskilda atomer kan vara av stort grundläggande intresse, det är faktiskt mer praktiskt att kunna flytta lite större atomkluster.

"För många tillämpningar - som katalys - är kluster eller molekyler mer relevanta än enskilda atomer, så det är vettigt att arbeta på större enheter än bara atomer, "Hynninen, vid Aalto-universitetet och Tammerfors tekniska universitet i Finland, berättade Phys.org . "Också, om du vill bygga något av stor storlek (på nanoskala) är det lättare om du kan använda större byggstenar. Självklart, du skulle aldrig producera något med nanomanipulation – det är alldeles för ineffektivt. Nanomanipulation är en teknik med vilken man kan designa strukturer med absolut precision för vidare studier."

Under de senaste åren, forskare har visat hur man flyttar atomkluster med hjälp av ett beröringsfritt atomkraftmikroskop (nc-AFM), som fungerar på grund av en frånstötande interaktion som uppstår mellan klustret och spetsen när de bara är några ångström från varandra. Rent generellt, atomkluster kan flyttas av en beröringsfri spets på två sätt:genom att sänka spetsen från direkt ovanför klustret (som forskarna här kallar "sparkar"), och genom att flytta spetsen mot klustret från sidan (som forskarna här kallar "sliding").

Även om sparkar och glidning ger beprövade sätt att flytta atomkluster, båda metoderna begränsas av spetsens skanningsriktning. Det är, riktningen för klustrets rörelse beror på spetsens position.

I den nya studien, forskarna visade att genom att dra fördel av de naturliga defekterna i substratet som atomerna ligger på, de kan flytta atomkluster på ett sätt som inte är helt begränsat av spetsens position. Som forskarna förklarar i sin uppsats och i YouTube-videon, ett NaCl-substrat kan ha vakansdefekter på grund av saknade Na-joner och Cl-joner. När forskarna deponerade enstaka neutrala guldatomer på det isolerande NaCl-substratet, de observerade att de lediga platserna fungerar som kärnbildningsställen som tillåter guldatomerna och klustren att binda till substratet.

Forskarna fann att guldkluster binder till Na-jonvakanser och Cl-jonvakanser på olika sätt. Ett kluster binder till en Na-jonvakans längs en av klustrets kanter så att den orienterar sig med en närliggande rad av Cl-joner. Klustrets energetiskt gynnade rörelsesätt är att glida längs raden av Cl-joner i en rak linje, parallellt med den bundna kanten. I kontrast, ett kluster binder till en Cl-jonvakans vid ett av klustrets hörn snarare än en kant. Detta kluster föredrar att röra sig genom att svänga runt sitt sammanfogade hörn, eftersom den ständigt försöker omorientera sig med närliggande joner. Som ett resultat, klustret kan röra sig i en sicksack-bana i vilken riktning som helst.

När forskarna tog in en nc-AFM för att skanna ytan från toppen och sidan, de fann att de kunde flytta 5-nm kluster av guldatomer (cirka 2000-2500 atomer) på olika sätt, beroende på vilken typ av defekt som klustren var bundna till. Att veta att Na-jonvakanser är den dominerande defekten på en del av substratet som kallas stegkanter, och Cl ion vakanser är vanligare på en del som kallas terrassen, forskarna kunde hänföra de olika typerna av klusterrörelser till de olika typerna av lediga tjänster. Kluster på stegkanterna rörde sig alltid i en rak linje i en viss riktning, medan klungor på terrassen lätt kunde flyttas åt olika håll.

Defekternas bidrag till klustrens rörelse erbjuder forskare ett ytterligare sätt att manipulera kluster med hjälp av en nc-AFM. Forskarna hoppas att denna mekanism kan utnyttjas för att bygga nanostrukturer och, i en omvänd process, klustrens rörelser skulle kunna användas för att identifiera typerna av defekter på ett substrat. Som forskarna förklarade, det kan vara möjligt att kontrollera defekterna på underlag, och därigenom kontrollera rörelsen av kluster.

"Praktiskt taget allt material har defekter som vakanser, och ofta visas de också på ytorna, ", sa Hynninen. "Defekter kan skapas eller avlägsnas till exempel genom bestrålning eller värmebehandling. Ett vanligt exempel är ädelstensbestrålning, där färgen på ädelstenar kontrolleras genom att utsätta dem för bestrålning. Strålningen skapar defekter i kristallerna och dessa påverkar ädelstenarnas optiska egenskaper. I princip, man skulle kunna använda sådana metoder för att kontrollera defekterna och därmed rörelsen av kluster. Det exakta sättet hur detta skulle fungera beror på substratet och klustren."

© 2013 Phys.org