Du er her: AU » Om AU » Science and Technology » RØMER » Diamanter giver ny viden om atomets inderkreds

Diamanter giver ny viden om atomets inderkreds

Forskere på Aarhus Universitet har med nyudviklet udstyr og stor energi taget så gode nærbilleder af diamanter, at man kan se elektronernes fordeling omkring atomkernerne. Og de ser ikke ud som der står i lærebøgerne!

Den inderste elektronsky i diamantens kulstofatom er ikke rund,sådan som man hidtil har ment. Den har nærmere form som en indskrumpet badebold. Fotomontage: Colourbox/Gammelby

Af Peter F. Gammelby

Hvis man zoomer tilstrækkeligt meget ind på diamantstøv kan man se, at de elektroner, som er tættest på atomkernerne, bevæger sig inden for en elektronsky, der omtrent har form som en indskrumpet badebold .

Og det vil man blive overrasket over. I hvert fald hvis man har fulgt med i kemitimerne.

Gennem et halvt århundrede har kemilærere på alverdens gymnasier og universiteter nemlig lært deres elever, at atomernes inderste elektroner bevæger sig i en perfekt kugleformet, stabil og symmetrisk sky omkring atomkernen.

Hvorfor er det så vigtigt at vide, hvordan nogle elektroner bevæger sig i et materiale, som de fleste af os alligevel ikke har råd til? Det er det, fordi det åbner en helt ny dimension i vores grundlæggende viden om kemiske bindinger.

Kemiske bindinger er de kræfter, som holder atomer sammen, så der kan dannes molekyler, fast stof og levende væsner såsom os selv. Nu viser det sig altså, at dette atom-sammenhold stikker dybere, end man hidtil har troet. Og meget tyder på, at det ikke kun gælder for diamant.  

Verdens bedste diffraktometer

Inden vi ser på, hvad det betyder – og måske kan komme til at betyde for os alle sammen – skal vi først have svaret på, hvordan forskerne på Aarhus Universitet kan zoome så tæt ind på materialer, at de kan se elektronernes inderste baner.

Det kan de med endnu et forskningsmæssigt gennembrud: et splinternyt og hjemmebygget vakuum-røntgen-pulver-diffraktometer, som kan måle elektronfordelingen i molekyler og krystaller med banebrydende nøjagtighed.

Røntgen-diffraktometre måler, hvordan røntgenstråler spredes, når de rammer et materiale, hvilket giver mulighed for at bestemme materialets atomare struktur. Teknologien blev opfundet for 100 år siden, men er siden udviklet gevaldigt (se faktaboks 1).

Med det nye diffraktometer på Aarhus Universitet er niveauet hævet yderligere, og endda på flere punkter: pulveret placeres i vakuum i et hårtyndt glasrør, som ved hjælp af helium-spray køles ned til minus 130 C°. Kølingen dæmper atomernes vibration, så de er nemmere at måle på.

Med det nye diffraktometer har ph.d.-studerende Niels Bindzus og Nanna Wahlberg kunnet dokumentere, at kemiske bindinger går dybere end hidtil troet. I hvert fald i diamant. Foto: Peter Gammelby

Lagkageform med køling og gammeldags film

Jacob Becker er en af hovedkræfterne i udviklingen af det nye diffraktometer. Foto: Jesper Buch Rais, AU Foto

Selve diffraktometret er ikke særlig stort – det er vifteformet og ser nærmest ud som om man har skåret en tredjedel ud af en velvoksen stål-lagkage – og det kan bæres af én person. Det sidste er praktisk, for det skal nemlig fragtes hen til en synkrotron for at få røntgenstråling af tilstrækkelig styrke (se faktaboks 2). Analysen af diamantens elektroner er sket ved synkrotronen PETRA-III iHamborg.

Synkrotronstrålen føres gennem et vakuumrør ind i det, der vel kan betegnes som lagkagens radiale centrum, rammer pulveret i glasrøret og spredes i alle retninger. I periferien er monteret en røntgen-billedplade, som registrerer de spredte stråler.

”Billedpladen er en slags fotografisk film, som kan tåle vakuum og er bøjelig, så den kan følge apparatets form. Det er en gammeldags teknologi, som de fleste steder er blevet afløst af elekroniske detektorer. Men de elektroniske er åndssvagt dyre, hvis de skal kunne tåle vakuum. Vores billedplader kan genbruges og giver en mindst lige så god kvalitet,” fortæller ph.d. Jacob Becker, som administrerer Center for Materialekrystallografi (CMC) på Institut for Kemi.

Jacob Becker har – i samarbejde med professor emer. Jens Als-Nielsen fra Niels Bohr Instituttet og firmaet JJ X-Ray A/S - været en af hovedkræfterne i arbejdet med at udvikle det nye instrument. Arbejdet blev påbegyndt for snart fire år siden og er endnu ikke helt færdigt. Der er altid plads til forbedringer, og så er det jo praktisk, at store dele af instrumentet er konstrueret og bygget på instituttets eget værksted.

Den næste forbedring bliver at forbedre kølingen yderligere, så den kan komme ned på minus 170-180 C°. Det vil nemlig udvide sortimentet af interessante materialer, som kan analyseres.

Elektroner på formel

Inden vi når helt frem til de kemiske bindinger skal vi have placeret elektronerne i billedet. Og det er ikke helt enkelt.

Selvom vi lærer, at elektronerne bevæger sig rundt om kernen i forskellige baner i større eller mindre afstand fra kernen, så passer det klassiske billede af atomet som en klode med elektroner som måner i kredsløb ikke.

Med kvanteteorien kan man nemlig ikke sige præcist, hvor den enkelte elektron befinder sig i et atom - man kan blot beregne, hvor der er størst sandsynlighed for at støde på den.

Det er derfor, man i daglig tale ofte bruger begrebet en elektronsky – ”skyen” repræsenterer det område i rummet omkring atomkernerne, hvor det er sandsynligt at støde på de enkelte elektroner. Elektronskyerne kan have vidt forskellige former, som bl.a. afhænger af elektronernes afstand fra kernen og om de deltager i kemiske bindinger.

Men indtil for nylig har man troet, at det med forskellige former ikke gjaldt for de allerinderste elektronskyer. Ifølge lærebøgerne vil de altid være kuglerunde og upåvirket af, hvad der sker omkring dem.

Ny teori og ufærdigt apparat

Efter de gængse modeller foregår kemiske bindinger ved, at atomerne udveksler eller deler elektroner – og at kun de yderste elektroner omkring atomet (også kaldet valens-elektroner) indgår i de kemiske bindinger.

For to år siden offentliggjorde et dansk-tysk forskerhold imidlertid et teoretisk grundstudie, som viser, at de inderste elektronskyer i diamant- og silicium-atomer blev deformeret, når de blev udsat for stærke kovalente bindinger (kovalente bindinger opstår, når atomer deler valens-elektroner).

Mistanken var udløst af, at man under computersimulationer havde observeret, at visse atomer ikke opførte sig helt, som de skulle ifølge de gængse teorier og modeller.

En af grundstudiets forfattere var kemiprofessor Bo Brummerstedt Iversen, som leder CMC på Aarhus Universitet.

Dengang var det ikke teknisk muligt at efterprøve de teoretiske forudsigelser, men på dette tidspunkt startede samarbejdet omkring det nye vakuum-diffraktometer, og inden for CMC var der store forhåbninger til potentialet af det nye instrument.

Faktisk var diffraktometret endnu ikke helt færdigt, da det første gang blev koblet til en beamline på SLS synkrotronen i Schweiz for at røntgen-bestråle en prøve med bl.a. diamantstøv. Det blev til adskillige ture, som undervejs skiftede destination til den endnu større synkrotron PETRA-III i Hamborg, og de tre ph.d.-studerende Niels Bindzus, Tine Straasøe og Nanna Wahlberg gik i gang med at hente og knuse de eksperimentelle data fra billedpladerne.

Det lykkedes dem at dokumentere de teoretiske forudsigelser for diamant. Niels Bindzus har netop bestået sin ph.d. med flyvende faner, og nu har Nanna Wahlberg travlt med at undersøge kemisk binding i andre funktionelle materialer.

Diffraktometret koblet til synkrotronen i Hamburg. Bemærk blypladerne, som er monteret på diffraktometret for at isolere røntgenstrålingen. Foto: Nanna Wahlberg

Flere fortolkninger

Enhedscellen i diamant, med de inderste elektronskyer fremhævet. Ifølge al gængs teori skulle deres facon være kugleformet; den virkelige facon påvirkes imidlertid af de kemiske bindinger i strukturen. Baseret på data optaget med CMCs vakuum-diffraktometer. Grafik: Niels Bindzus

Det er nu muligt at måle kemisk binding med banebrydende nøjagtighed, men implikationerne af det er endnu uvisse. Dog er det sikkert, at det er med til at fremme vores kemiske forståelse af materialer og deres egenskaber.

Resultaterne viser, at den inderste elektronsky trækker sig sammen, og at det hænger sammen med dannelsen af stærke kovalente bindinger.

Det betyder, at valenselektronernes rumlige sandsynlighedsfordeling rækker helt ind til de inderste elektroner, hvilket man hidtil ikke har kunnet vise eksperimentelt.

”Foreløbig er det ren grundforskning, det her. Men på længere sigt kan det måske få betydning for vores forståelse for, hvorfor nogle halvledere fungerer bedre end andre, og hvorfor nogle elektroniske processer opfører sig, som de gør, og ikke som de skulle ifølge teorien. Det kan f.eks. gælde topologiske isolatorer, som er materialer, der kun leder strøm i de alleryderste atomlag, lige ved overfladen. Det kan få væsentlig betydning for fremtidens elektronik,” fortæller Nanna Wahlberg.

Eller som Jacob Becker udtrykker det:

”Det er et veletableret faktum indenfor al materialekemi, at struktur og egenskaber hænger sammen. Med struktur mener man den atomare opbygning af materialerne. Egenskaber er bl.a. alt det, der gør materialer værdifulde for vores samfund.”

Henvendelse om denne sides indhold: 
Revideret 11.04.2014

Her finder du Science and Technology

KONTAKTINFORMATION

Science and Technology
Aarhus Universitet
Bygning 1431
Nordre Ringgade 1
8000 Aarhus C
E-mail: scitech@au.dk
Tlf. 8715 0000
Fax: 8715 2068

NUMRE

CVR-nr: 31119103
P-nr: 1009828059
EAN-numre: www.au.dk/eannumre

Aarhus Universitet
Nordre Ringgade 1
8000 Aarhus C

E-mail: au@au.dk
Tlf: 8715 0000
Fax: 8715 0201

CVR-nr: 31119103
EAN-numre: www.au.dk/eannumre

AU på sociale medier
Facebook
LinkedIn
Twitter
YouTube

© — Henvendelser til webredaktør

Cookies på au.dk