La notevole forza dei cristalli ionici è facilmente spiegabile su scala atomica:atomi con carica positiva e negativa siedono fianco a fianco in una disposizione periodica ripetuta. La forte forza elettrostatica in mezzo li tiene insieme.

Ma cosa succede quando il modello periodico termina bruscamente? I ricercatori dell'Università di Tecnologia di Vienna hanno rotto con cura i cristalli di tantalato di potassio in direzioni specifiche, e ha ripreso le superfici risultanti utilizzando un microscopio a forza atomica all'avanguardia. I loro dati sono stati combinati con i calcoli eseguiti presso l'Università di Vienna, e alla fine furono spiegati una serie di fenomeni notevoli. I risultati sono stati pubblicati in Scienza , e sono potenzialmente utili per tecnologie come la produzione di idrogeno.

I quadrati bianchi e neri su una scacchiera si alternano lungo le righe e le colonne, e in un angolo da un angolo all'altro, appaiono come righe in bianco e nero. I quadrati bianchi e neri in due dimensioni assomigliano a un cristallo in tre dimensioni:"Se si divide un cristallo cubico lungo una certa direzione, si può finire con solo cariche positive o solo negative in superficie. Una tale situazione sarebbe altamente instabile, " spiega la prof.ssa Ulrike Diebold dell'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Tecnologia di Vienna. Un impilamento di strati puramente positivi e caricati negativamente comporterebbe un potenziale di milioni di volt attraverso il piccolo campione:gli scienziati chiamano questa "catastrofe polare". "Per evitare questa situazione, gli atomi devono riorganizzarsi. Ma come?

"Ci sono diversi modi in cui una superficie può reagire quando dividiamo un cristallo, "dice Martin Setvin, primo autore della pubblicazione. "Gli elettroni possono accumularsi in determinate posizioni, il reticolo cristallino può deformarsi, o molecole dall'atmosfera possono aderire alla superficie, modificandone le proprietà".

Tramite microscopio a scansione a effetto tunnel, è subito evidente che un cristallo rotto a bassissima temperatura ha da un lato metà dello strato carico negativamente, e metà dall'altra. Poiché le isole negative coprono esattamente il 50 percento di ogni superficie, la superficie è elettricamente neutra. "Ancora, l'isola è grande, quindi la catastrofe polare non è completamente evitata:il campo sottostante modifica le proprietà fisiche del materiale, "dice Setvin.

Stranamente però, alzando leggermente la temperatura della superficie, le isole si rompono e gli atomi formano un labirinto di linee frastagliate. Le "pareti" di questo labirinto sono alte solo un atomo e larghe da quattro a cinque atomi, e i calcoli mostrano che questa è davvero una configurazione più stabile.

"Le strutture labirintiche non sono solo belle ma anche potenzialmente utili, " dice Diebold. "È esattamente quello che vuoi:minuscole strutture in cui si verificano forti campi elettrici su scala atomica". Per esempio, per consentire reazioni chimiche che non procederebbero da sole, come la scissione dell'acqua, per produrre idrogeno.

"L'uso di queste strane superfici di cristallo nella tecnologia richiede che comprendiamo cosa succede su scala atomica, " sottolinea Setvin. "Ecco perché la microscopia è così importante per noi. Nelle immagini ad alta risoluzione possiamo osservare direttamente i singoli atomi, guarda come si muovono, e finalmente capire cosa cerca di fare la natura. Forse allora, possiamo capire come usarlo."