(Phys.org)—Nelle nanoscienze, l'obiettivo finale è progettare materiali e dispositivi migliori controllando le posizioni degli atomi, molecole, e cluster molecolari su un substrato con precisione esatta. In un nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare i movimenti e le posizioni di gruppi di atomi d'oro su un substrato isolante non solo utilizzando la punta di un microscopio come si fa di solito, ma anche utilizzando difetti atomici nel substrato stesso. Il livello aggiuntivo di controllo offerto dai difetti potrebbe rivelarsi utile per la costruzione di futuri nanodispositivi e nanomacchine.

I ricercatori, Teemu Hynninen, et al., da istituti in Finlandia e Francia, hanno pubblicato il loro studio sulla manipolazione di nanocluster d'oro utilizzando difetti in una superficie NaCl in un recente numero di Rapporti scientifici .

Nel 1990, i ricercatori hanno prima dimostrato di poter spostare singoli atomi spingendoli con la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM). Ma mentre spostare singoli atomi può essere di grande interesse fondamentale, in realtà è più pratico essere in grado di spostare ammassi atomici un po' più grandi.

"Per molte applicazioni, come la catalisi, i cluster o le molecole sono più importanti dei singoli atomi, quindi ha senso operare su unità più grandi dei semplici atomi, "Hinninen, alla Aalto University e alla Tampere University of Technology in Finlandia, detto Phys.org . "Anche, se vuoi costruire qualcosa di dimensioni considerevoli (su scala nanometrica) è più facile se puoi usare blocchi di costruzione più grandi. Certo, non produrresti mai nulla con la nanomanipolazione:è troppo inefficiente. La nanomanipolazione è una tecnologia con cui si possono progettare strutture con assoluta precisione per ulteriori studi."

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno dimostrato come spostare gli ammassi atomici utilizzando un microscopio a forza atomica senza contatto (nc-AFM), che funziona a causa di un'interazione repulsiva che si verifica tra l'ammasso e la punta quando sono solo a pochi angstrom l'uno dall'altro. In genere, gli ammassi atomici possono essere spostati da una punta senza contatto in due modi:abbassando la punta direttamente sopra l'ammasso (che i ricercatori qui chiamano "calcio"), e spostando la punta verso l'ammasso dal lato (che i ricercatori qui chiamano "scorrevole").

Sebbene calci e scivolamenti forniscano modi comprovati per spostare gli ammassi atomici, entrambi i metodi sono limitati dalla direzione di scansione della punta. Questo è, la direzione del movimento del grappolo dipende dalla posizione della punta.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che, sfruttando i difetti naturali del substrato su cui giacciono gli atomi, possono spostare gli ammassi atomici in un modo che non è completamente vincolato dalla posizione della punta. Come spiegano i ricercatori nel loro articolo e nel video di YouTube, un substrato NaCl può avere difetti di vacanza a causa di ioni Na e Cl mancanti. Quando i ricercatori hanno depositato singoli atomi d'oro neutri sul substrato isolante di NaCl, hanno osservato che le vacanze agiscono come siti di nucleazione che consentono agli atomi e ai cluster d'oro di legarsi al substrato.

I ricercatori hanno scoperto che i cluster d'oro si legano alle vacanze di ioni Na e di ioni Cl in modi diversi. Un cluster si lega a una vacanza di ioni Na lungo uno dei bordi del cluster in modo che si orienti con una fila vicina di ioni Cl. La modalità di movimento energeticamente favorita dell'ammasso è di scorrere lungo la fila di ioni Cl in linea retta, parallelamente al bordo incollato. In contrasto, un cluster si lega a una vacanza di ioni Cl in uno degli angoli del cluster piuttosto che su un bordo. Questo cluster preferisce muoversi ruotando attorno al suo angolo unito, poiché cerca costantemente di riorientarsi con gli ioni vicini. Di conseguenza, il cluster può muoversi a zig-zag in qualsiasi direzione.

Quando i ricercatori hanno portato un nc-AFM per scansionare la superficie dall'alto e di lato, hanno scoperto che potevano spostare cluster di 5 nm di atomi d'oro (circa 2000-2500 atomi) in modi diversi, a seconda del tipo di difetto a cui i cluster erano legati. Sapendo che le vacanze di ioni Na sono il difetto dominante su una parte del substrato chiamata bordi a gradini, e Cl ioni vacanti sono più comuni su una parte chiamata terrazza, i ricercatori potrebbero attribuire i diversi tipi di movimenti di cluster ai diversi tipi di posti vacanti. I grappoli sui bordi dei gradini si muovevano sempre in linea retta in una direzione particolare, mentre i grappoli sulla terrazza potevano essere facilmente spostati in diverse direzioni.

I contributi dei difetti al movimento dei cluster offrono agli scienziati un ulteriore modo per manipolare i cluster utilizzando un nc-AFM. I ricercatori sperano che questo meccanismo possa essere sfruttato per costruire nanostrutture e, in un processo inverso, i movimenti dei cluster potrebbero essere utilizzati per aiutare a identificare i tipi di difetti su un substrato. Come hanno spiegato i ricercatori, può essere possibile controllare i difetti sui substrati, e quindi controllare il movimento dei cluster.

"Praticamente tutti i materiali hanno difetti come posti vacanti, e spesso compaiono anche sulle superfici, "Hanninen ha detto. "I difetti possono essere creati o rimossi, ad esempio mediante irradiazione o trattamento termico. Un esempio comune è l'irradiazione di pietre preziose, dove il colore delle gemme è controllato esponendole all'irradiazione. La radiazione crea difetti nei cristalli e questi influiscono sulle proprietà ottiche delle gemme. In linea di principio, si potrebbero usare tali metodi per controllare i difetti e quindi il movimento dei cluster. Il modo esatto in cui funzionerebbe dipende dal substrato e dai cluster".

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