A nanoméretű objektumok meglehetősen kicsik (egy nanométer a milliméter milliomod része), mindennapi életünkben mégis hatalmas szerepet játszik ez a mérettartomány, hiszen például a modern számítógépek elemi alkatrészei 10 nanométernél kisebbek. Egy másik nanoléptékű felhasználási terület a katalízis, ahol nagyjából 10 nanométer átmérőjű fémszemcséket – például platinát - használnak katalizátorként. Ebben az esetben a miniatűr méret azért hasznos, mert megnöveli a reakciót gyorsító anyag felületét. A középkori katedrálisok építői – noha fogalmuk sem volt róla, hogy ezt teszik – ugyancsak éltek a nanotechnológiával. Az ólomüvegek színét ugyanis a színezőanyagként használt különböző nanoméretű szemcsék adják.
„Az élet számos területén alapkövetelmény az eszközök miniatürizálása. A fogyasztók ugyanis elvárják, hogy a berendezések egyre kisebbek legyenek, de egyre többet tudjanak. A méret fokozatos csökkentése mellett létezik egy másik irány is: az atomok bizonyos körülmények között maguktól nanostruktúrákba rendeződnek. Egyes atomokból és molekulákból nagyobb egységek keletkezhetnek. A mi kutatási eredményünk erre példa” – tájékoztatott Óvári László, az ELI ALPS Felületi és kémiai dinamika csoport vezetője.
A hexagonális bór-nitrid szerkezete a grafénhez hasonlít. Azzal a különbséggel, hogy a grafén hatszögletű gyűrűinek minden pontján szénatomok ülnek, míg a bór-nitrid esetében felváltva található bór és nitrogén. Mivel a két kémiai elem elektronegativitása eltérő, ezért a bór-nitrid szigetelő – szemben a grafénnel, amely vezet. Ha bizonyos fém egykristályon hozunk létre bór-nitrid réteget, akkor periodikusan hullámzó monoréteg, úgynevezett nano-mesh (nanoháló) alakul ki. Ezen a hullámzó monorétegen periodikusan elhelyezkedő apró gödröcskék keletkeznek. Ha molekulákat adszorbeáltatunk erre a hullámzó felületre, azok ezekben a gödrökben helyezkednek majd el. Amikor fémeket párologtatunk erre a hálóra, a fémek is előszeretettel keresik ezeket a gödröket. Ilyenkor szabályosan elrendezett, önszerveződő fémklaszter mátrix alakul ki, ami kiváló modellrendszer a katalízishez. (A modellrendszerek előnye, hogy egy bonyolult, nehezen megérthető jelenség leegyszerűsítésével feltárható a folyamat. Ha kiderül, hogy a modellnél mi, miért történik, az így szerzett tudással a bonyolult rendszer is megérthető.) A kérdés az, hogy miért részesítik előnyben a nanoháló mélyedéseit a molekulák és a fématomok. Korábbi kísérletekből kiderült, hogy a lokálisan kialakuló, szintén periodikusan változó elektrosztatikus térrel magyarázható a jelenség.
Óvári László, Halasi Gyula és Vass Csaba
„Más a kilépési munka a pici gödrök alján és más a kiemelkedéseknél. Ez a potenciálkülönbség egy inhomogén elektrosztatikus teret generál. Mi ezzel a térrel dolgoztunk” – mondta el Óvári László, akitől megtudtuk, hogy a hullámzó bór-nitrid nanoháló egyfajta templát. Templátnak azt nevezzük, amikor valamilyen anyag rendezi a rávitt atomokat, molekulákat. Kutatóink ezt a templáthatást szerették volna továbbjavítani.
A Szegedi Tudományegyetem felhasználói programjának részeként lezajlott kísérletek során először az egy milliméter vastag ródium egykristály felületére aranyat párologtattak. Ezután az arannyal vékonyan bevont ródiumot felfűtötték 1050 Kelvinre, hogy létrejöjjön a felületi ötvözet. (Ez a keveredés azért érdekes, mert háromdimenziós (tömbi) állapotban a két fém nem alkot ötvözetet.) Ezt követően hozták létre vákuumban (szintén 1050 Kelvinen) a bór-nitridet ezen az ötvözeten. Kutatóink azt tapasztalták, hogy a létrejövő monoréteg maga alatt átrendezte az aranyatomokat, amelynek eredményeként a nemesfématomok nem a bór-nitrid gödrök, hanem a magaslatok alá kerülnek.
Óvári László szerint a ródium egykristályon tapasztalthoz képest a ródium-arany ötvözet esetében a periodikus elektrosztatikus tér felerősödött. Ennek az a magyarázata, hogy az arany elektronokat vont el a ródiumtól, ezért kissé negatív lett, míg a másik enyhén pozitív. A kísérlet során az elektronok sávszerkezetét nagyon pontosan vizsgáló NanoESCA berendezést használták. Ennek során a felület elektronjainak nemcsak az energiáját, hanem az impulzusát (lendületét) is meg tudták határozni. Egy elektronsávban felhasadást tapasztaltak, amit a periodikus elektrosztatikus tér felerősödésével magyaráztak. A kísérleteket az ELI ALPS Felületi Dinamika Csoportja végezte, de az eredmények kiértékelésébe a Szegedi Tudományegyetem mellett a Kaiserlautern-Landaui Egyetem és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai is bekapcsolódtak.
„A kísérletekkel tehát bebizonyítottuk, hogy ha nem tisztán ródium egykristály felületet használunk, hanem ródium-arany felületi ötvözetet, akkor felerősödik a periodikus elektrosztatikus tér, ami hatékonyabb templátot eredményezhet. Azt is bebizonyítottuk, hogy a bór-nitrid nanoháló nemcsak a rávitt molekulákat, hanem az alatta lévő fémfelületet is átrendezi” – összegezte a folyóiratban megjelent eredményeket Óvári László.
Mi lehet a folytatás? Következő logikus lépés annak igazolása, hogy ez a felerősödés befolyásolja a templáthatást, illetve más anyagokkal is szeretnék tesztelni ezt a jelenséget. Fizikusaink arra is kíváncsiak, hogy mennyire szabályos az elrendeződés és milyen a rendszer termikus stabilitása. Ugyancsak izgalmas kérdés, hogy miért nem rendeződnek el az ezüst és a nikkel atomok a bór-nitrid hálón.
Óvári László szerint a további munka akár új katalizátorok kifejlesztését is elősegítheti.
Fotók: Balázs Gábor
Szöveg: Ötvös Zoltán