Dunne draadjes van het metaal natrium, met een doorsnede van enkele atomen, nemen het liefst een zeshoekige vorm aan, zo blijkt uit Leids onderzoek.
Extreem dunne metalen draden hebben niet zomaar een ronde doorsnede, maar
nemen op het dunste punt het liefst een zeshoekige vorm aan. Dat schrijven
Leidse natuurkundigen A. Yanson, I. Yanson en prof.dr. J. Ruitenbeek in het
wetenschappelijke tijdschrift ‘Physical Review Letters’ van 19 november.
Om
superdunne draadjes van metalen als goud, natrium en kalium te maken en te
onderzoeken, hebben de natuurkundigen een eigen draadjestrekinstallatie. Hierin
worden twee stukken metaal in een vacuüm tegen elkaar geklemd op een buigzame
ondergrond. Wanneer deze in het midden langzaam omhoog wordt geduwd, worden de
twee stukken metaal uit elkaar getrokken, waarbij draadjes getrokken worden.
De steeds dunner wordende draadjes bereiken hierbij soms de doorsnede van
één atoom, voordat ze breken. De elektrische geleiding van de draad, en daarmee
de weerstand, hangt af van het dunste stukje in de draad: hoe dunner de
verbinding, hoe hoger de weerstand. Die toename gaat in discrete sprongen:
sommige weerstandswaarden hebben een duidelijke voorkeur. De natuurkundigen
brachten deze voorkeursweerstanden in kaart door duizenden draadjes te trekken,
waarbij ze de gemeten elektrische weerstanden turfden.
Voor heel dunne
draadjes zijn deze voorkeursgeleidingen nog wel te verklaren uit het gedrag van
de elektronen in het draadje. Die worden beschreven door de quantummechanica.
Maar voor het begrijpen van de voorkeursgeleidingen in iets dikkere draden moet
de schikking van de atomen erbij worden gehaald. Bij metalen als natrium zijn de
atomen te beschouwen als plakkerige knikkers, die bij het uitrekken liefst zo
dicht mogelijk tegen elkaar blijven zitten, en zo weinig mogelijk oppervlak aan
de buitenwereld blootstellen.
Volgens deze theorie hebben doorsneden met een
zeshoekige vorm (zie illustratie!!!LETOP!!!) de voorkeur. Die levert voor het
draadje het minste buitenoppervlak op.
Perfecte zeshoekige dwarsdoorsneden
bestaan uit 7, 19, 37, 61 en hogere aantallen atomen, volgens een vaste formule.
De weerstandswaarden die bij deze doorsneden horen, bleken inderdaad de voorkeur
te hebben. De dunne draden nemen in de lengte dus de gedaante aan een soort
zeshoekig kristal.
Naast de voorkeurswaarden die horen bij perfect
zeshoekige doorsneden, zagen de natuurkundigen tussen deze pieken steeds vijf –
iets minder sterke - voorkeursweerstanden. Die horen bij de dwarsdoorsneden die
je krijgt als de opeenvolgende facetten van de perfecte zeshoek opgevuld worden
met atomen.
Bruno van Wayenburg
'Crossover
from Electronic to Atomic Shell Structure in Alkali Metal Nanowires',
Physical Review Letters, 19 november 2001 