Nieuws

Vibraties verraden de staat van goud

Als een klompje goud voldoende verhit wordt, smelt het. De buitenste laag van het klompje wordt eerst vloeibaar en geleidelijk aan smelt de rest. Maar hoe smelt een klompje nu als het een bolletje van maar een paar nanometer groot is? Een onderzoek aan de Leidsche Universiteit moet antwoord bieden.

De komende drie jaar besteedt dr. Anna Tchebotareva, gesteund door een Veni-subsidie, aan het gouddeeltjesgedrag. De uitkomsten kunnen van belang zijn voor de computertechnologie en de chemische industrie. ‘We weten dat een klomp metaal die je verhit vloeibaar wordt’, vertelt Tchebotareva. ‘Hij verandert eerst aan het oppervlak, terwijl de rest vast blijft. En als je hem dan nog verder verhit, wordt hij helemaal vloeibaar. Niemand weet echter wat er gebeurt met heel kleine bolletjes metaal. Dan moet je denken aan ééntienduizendste van de dikte van een menselijk haar. Die dikte komt dan in de buurt van de dikte van de vloeibare schil bij een grote klomp metaal.’ Volgens Tchebotareva kun je van alles verwachten. Ze koos voor goud als te onderzoeken metaal.

Vanuit het oogpunt van fundamenteel onderzoek is het interessant te weten hoe het smelten van kleine deeltjes metaal in zijn werk gaat. Maar de uitkomsten van Tchebotareva’s onderzoek kunnen ook van belang zijn voor de computertechnologie. Momenteel worden de belangrijkste verbindingen in chips gemaakt van koperstructuren die zo’n 20 nm dik zijn. Dat is vijfhonderd keer zo dun als een menselijk haar. Om de computer sneller te maken, moeten de verbindingen in de chips verkleind worden. Tchebotareva: ‘Als je naar 5 nm of nog dunner wilt, moet je wel weten wat er gebeurt. Blijft de verbinding vast of wordt hij vloeibaar en bij welke temperatuur?’ Van een groot stuk metaal is de smelttemperatuur tamelijk hoog. Maar als de omvang afneemt, wordt ook het smeltpunt lager. De verkleinde metalen onderdelen in een computerchip zouden dus eerder kunnen gaan smelten.

Behalve voor de computerindustrie kan Tchebotareva’s onderzoek ook nuttig zijn voor de chemische industrie. Nanodeeltjes van goud worden veel gebruikt als katalysatoren bij scheikundige reacties. De katalytische eigenschappen van een vast en een vloeibaar deeltje kunnen sterk verschillen. Hoe komt ze aan de nodige nanodeeltjes? ‘We maken ze in elk geval niet zelf’, lacht Tchebotareva. ‘Tegenwoordig zijn nanodeeltjes in allerlei maten commercieel verkrijgbaar. Je kunt al deeltjes kopen van 1,4 nm in doorsnee.’ Hoeveel atomen is 1,4 nm? Tchebotareva: ‘De grootte van een goudatoom is rond 0,3 nm, dus je hebt dan drie of vier atomen in iedere richting, zo’n honderd atomen in één deeltje. Maar ik ga eerst kijken naar de veel grotere formaten van ongeveer 50 micron, de gemiddelde dikte van een menselijke haar. Van daaruit werk ik dan terug naar zo klein mogelijk. We weten met de huidige techniek niet precies waar de grens ligt.’

De nanodeeltjes krijgt Tchebotareva opgelost in een flesje met alcohol geleverd. Voor het onderzoek begint, doet ze een druppel van de oplossing op een glasplaatje, die ze door een centrifugale beweging verspreidt. Met een laserstraal verhit ze de nanodeeltjes. Om te kunnen zien hoe de deeltjes zich gedragen, of ze nog vast of al vloeibaar zijn, wekt ze met een korte laserpuls een vibratie in elk deeltje op. Een tweede optische puls registreert deze vibratie. Tchebotareva doet dit bij verschillende deeltjes van verschillende grootte en bij verschillende temperaturen. Door de reacties met elkaar te vergelijken, kan ze zien in welke staat een deeltje is: vast, half of helemaal vloeibaar. En wanneer het vloeibaar wordt, bij welke temperatuur dat gebeurt. De vibratie in een vast deeltje vindt plaats op een zekere frequentie. Als het deeltje smelt, verandert de frequentie. De deeltjes die Tchebotareva gebruikt zijn ongeveer rond maar niet helemaal. Tchebotareva: ‘Het is vrij moeilijk om op die schaal identieke vormen te produceren.’ Loopt zo’n deeltje niet uit als het verhit wordt? ‘Dat hangt af van het oppervlak waarop het ligt. Een druppel kwik op een tafel is ongeveer rond, maar de hoek van de druppel met het oppervlak is afhankelijk van de eigenschappen van het kwik en de tafel. Bij een druppel vloeibaar goud is dat ook zo. Die blijft op glas ongeveer cirkelvormig en de hoek met het glasoppervlak is 43 graden.’ Een ander voordeel van glas is dat het transparant is. Bij de optische techniek die Tchebotareva hanteert, kijkt ze vanaf de andere kant van het oppervlak. Glas smelt ook niet bij bestraling met laserlicht; omdat het transparant is, absorbeert het geen warmte.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven