Rijnhuizen/ Nijmegen (NL) – Een team van fysici weet voor het eerst aan te tonen bij welke deeltjesgrootte bulkmateriaal ontstaat.


Onderzoekers van het FOM-instituut (Fundamenteel Onderzoek der Materie) in Rijnhuizen en de Katholieke Universiteit Nijmegen ontdekken bij welke minimale deeltjesgrootte bulkmateriaal ontstaat.
De eigenschappen van een materiaal veranderen drastisch wanneer de grootte van het materiaal varieert van een enkel atoom tot bulkobjecten bestaande uit miljarden atomen. Terwijl er al veel informatie bestaat over deze twee uiterste afmetingen van veel materialen, zijn de eigenschappen van materialen op tussenliggende grootte ­- nanometers – nog grotendeels onbekend. Dat terwijl onderzoek naar deze nanodeeltjes erg populair is.
Het struikelblok in de studie naar deze nanodeeltjes is dat deeltjes met een goedgedefinieerde grootte moeilijk in grote hoeveelheden te produceren zijn. De structuur, en fysische en chemische eigenschappen van dit type deeltjes zijn dan ook totnogtoe grotendeels onbekend gebleven.
De FOM-fysici ontwikkelden een methode waarmee ze de nanodeeltjes kunnen bestuderen. Eerst maakten ze een hele lading deeltjes door onder vacuüm atomen vanaf de oppervlakte van het bulkmateriaal te verdampen. Hiervoor gebruiken ze laserpulsen met een hoge intensiteit afkomstig van een 'gewone' laser. Vervolgens isoleerden ze de ontstane nanodeeltjes en beschoten de partikels een fractie van een duizendste seconde later met infraroodlicht met een hoge intensiteit afkomstig van de Free Electron Laser for Infrared eXperiments, ofwel FELIX genaamd. Het infrarode licht van FELIX laat het deeltje inwendig zo hard trillen dat het spontaan een elektron uitzendt. Het achtergebleven nanodeeltje is positief geladen en de fysici kunnen het dus makkelijk traceren en zijn grootte bepalen.
De wetenschappers onderzochten het trillingspatroon van een nanodeeltje in vergelijking tot zijn grootte. Ze gebruikten deeltjes variërend van acht tot honderd atomen, bestaande uit één van de metalen niobium (Nb) of tantalum (Ta) in combinatie met koolstofatomen (C). Wanneer de nanodeeltjes twintig atomen of kleiner waren, zagen de onderzoekers een opvallende verandering in het trillingspatroon. Voor deeltjes van meer dan twintig atomen bleek het patroon er vrijwel hetzelfde uit te zien als dat van het bulkmateriaal niobiumcarbide (NbC) of tantalumcarbide (TaC).
De onderzoekers tonen hiermee voor het eerst aan bij welke grootte de structuur van een nanodeeltje overgaat in de structuur van bulkmaterialen.

Een impressie van bulkmateriaal. Het tweede blokje van rechts, bestaande uit 27 atomen, vertoont al eigenschappen die gelijk zijn aan die van bulkmateriaal.

Frédérique Melman