Fristående kluster med 20 guldatomer har formen av en pyramid, forskare har upptäckt. Detta står i kontrast till de flesta element, som organiserar sig genom att bilda skal runt en central atom. Teamet av forskare under ledning av KU Leuven publicerade sina resultat i Vetenskapens framsteg .

Atomkluster som består av ett fåtal atomer tenderar att vara sfäriska. De är vanligtvis organiserade i skal av atomer runt en central atom. Detta är fallet för många element, men inte för guld, som det visar sig. Experiment och avancerade beräkningar har visat att fristående kluster med 20 guldatomer får en pyramidform. De har ett triangulärt jordplan som består av 10 prydligt arrangerade atomer, med ytterligare trianglar med sex och tre atomer, toppad av en enda atom [se figur där en modell på tjugo apelsiner jämförs med den teoretiska och experimentella strukturen].

Den anmärkningsvärda tetraedriska strukturen har nu avbildats för första gången med ett scanning tunnelmikroskop. Detta högteknologiska mikroskop kan visualisera enstaka atomer. Den fungerar vid extremt låga temperaturer (269 grader under noll) och använder kvanttunnel av en elektrisk ström från en skarp skannande metallspets genom klustret och in i stödet. Kvanttunneling är en process där elektrisk ström flyter mellan två ledare utan någon fysisk kontakt mellan dem.

Forskarna använde intensiva plasma i en komplex vakuumkammare för att sputtera guldatomer från ett makroskopiskt guldstycke. "En del av de sprutade atomerna växer ihop till små partiklar med några få upp till några tiotals atomer, på grund av en process som är jämförbar med kondensering av vattenmolekyler till droppar, säger Zhe Li, huvudförfattaren till tidningen, för närvarande vid Harbin Institute of Technology, Shenzhen. "Vi valde en stråle av kluster bestående av exakt tjugo guldatomer. Vi landade dessa arter med en av de triangulära fasetterna på ett underlag täckt med ett mycket tunt lager kökssalt (NaCl), exakt tre atomlager tjocka."

Studien avslöjade också den märkliga elektroniska strukturen hos den lilla guldpyramiden. Liknar ädelgasatomer eller aromatiska molekyler, klustret har bara helt fyllda elektronorbitaler, vilket gör dem mycket mindre reaktiva än kluster med en eller ett fåtal atomer mer eller färre.

Guldkluster som sträcker sig från några till flera dussintals atomer i storlek är kända för att ha anmärkningsvärda egenskaper.

Den nya upptäckten hjälper forskare att utvärdera den katalytiska och optiska prestandan hos dessa kluster, som är relevant för att designa klusterbaserade katalysatorer och optiska enheter. De senaste tillämpningarna av kluster inkluderar användning i bränsleceller och koluppsamling.