(Phys.org) —En nanociencia, el objetivo final es diseñar mejores materiales y dispositivos controlando las posiciones de los átomos, moléculas, y agrupaciones moleculares sobre un sustrato con precisión exacta. En un nuevo estudio, Los investigadores han desarrollado un nuevo método para controlar los movimientos y posiciones de grupos de átomos de oro sobre un sustrato aislante, no solo usando la punta de un microscopio como se hace habitualmente, pero también mediante el uso de defectos del tamaño de un átomo en el propio sustrato. El nivel adicional de control ofrecido por los defectos podría resultar útil para construir futuros nanodispositivos y nanomáquinas.

Los investigadores, Teemu Hynninen, et al., de institutos de Finlandia y Francia, han publicado su estudio sobre la manipulación de nanoclusters de oro utilizando defectos en una superficie de NaCl en una edición reciente de Informes científicos .

En 1990, Los investigadores primero demostraron que podían mover átomos individuales empujándolos con la punta de un microscopio de efecto túnel (STM). Pero aunque mover átomos individuales puede ser de gran interés fundamental, en realidad, es más práctico poder mover grupos atómicos algo más grandes.

"Para muchas aplicaciones, como la catálisis, los grupos o moléculas son más relevantes que los átomos individuales, por lo que tiene sentido operar en unidades más grandes que solo átomos, "Hynninen, en la Universidad Aalto y la Universidad Tecnológica de Tampere en Finlandia, dicho Phys.org . "También, Si desea construir algo de tamaño considerable (en la nanoescala), es más fácil si puede usar bloques de construcción más grandes. Por supuesto, nunca produciría nada con nanomanipulación; es demasiado ineficiente. La nanomanipulación es una tecnología con la que se pueden diseñar estructuras con absoluta precisión para estudios posteriores ".

Durante los últimos años, los científicos han demostrado cómo mover grupos atómicos utilizando un microscopio de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM), que funciona debido a una interacción repulsiva que surge entre el cúmulo y la punta cuando están separados por unos pocos angstroms. Generalmente, Los cúmulos atómicos se pueden mover mediante una punta sin contacto de dos formas:bajando la punta directamente sobre el cúmulo (lo que los investigadores aquí llaman "patear"), y moviendo la punta hacia el cúmulo desde un lado (lo que los investigadores aquí llaman "deslizamiento").

Aunque patear y deslizar proporcionan formas comprobadas de mover grupos atómicos, ambos métodos están limitados por la dirección de exploración de la punta. Es decir, la dirección del movimiento del grupo depende de la posición de la punta.

En el nuevo estudio, los científicos demostraron que, aprovechando los defectos naturales del sustrato sobre el que se encuentran los átomos, pueden mover los cúmulos atómicos de una manera que no está completamente limitada por la posición de la punta. Como explican los investigadores en su artículo y en el video de YouTube, un sustrato de NaCl puede tener defectos de vacancia debido a la falta de iones de Na y de iones de Cl. Cuando los investigadores depositaron átomos de oro neutros individuales sobre el sustrato aislante de NaCl, observaron que las vacantes actúan como sitios de nucleación que permiten que los átomos y grupos de oro se unan al sustrato.

Los investigadores encontraron que los cúmulos de oro se unen a las vacantes de iones Na y las vacantes de iones Cl de diferentes maneras. Un grupo se une a una vacante de iones de Na a lo largo de uno de los bordes del grupo de modo que se oriente con una fila cercana de iones de Cl. El modo de movimiento energéticamente favorecido del cúmulo es deslizarse a lo largo de la fila de iones Cl en línea recta, paralelo al borde pegado. A diferencia de, un grupo se une a una vacante de ion Cl en una de las esquinas del grupo en lugar de un borde. Este grupo prefiere moverse girando alrededor de su esquina unida, ya que constantemente intenta reorientarse con los iones vecinos. Como resultado, el grupo puede moverse en zig-zag en cualquier dirección.

Cuando los investigadores trajeron un nc-AFM para escanear la superficie desde la parte superior y lateral, descubrieron que podían mover grupos de átomos de oro de 5 nm (alrededor de 2000-2500 átomos) de diferentes maneras, dependiendo del tipo de defecto al que se unieron los racimos. Sabiendo que las vacantes de iones de Na son el defecto dominante en una parte del sustrato llamada bordes escalonados, y las vacantes de iones Cl son más comunes en una parte llamada terraza, los investigadores podrían atribuir los diferentes tipos de movimientos de clúster a los diferentes tipos de vacantes. Los grupos en los bordes escalonados siempre se movían en línea recta en una dirección particular, mientras que los grupos en la terraza se pueden mover fácilmente en diferentes direcciones.

Las contribuciones de los defectos al movimiento de los cúmulos ofrecen a los científicos una forma adicional de manipular los cúmulos utilizando un nc-AFM. Los investigadores esperan que este mecanismo se pueda aprovechar para construir nanoestructuras y, en un proceso inverso, Los movimientos de los racimos podrían usarse para ayudar a identificar los tipos de defectos en un sustrato. Como explicaron los investigadores, puede ser posible controlar los defectos en los sustratos, y así controlar el movimiento de los clusters.

"Prácticamente todos los materiales tienen defectos como vacantes, y a menudo también aparecen en las superficies, "Dijo Hynninen." Los defectos pueden crearse o eliminarse, por ejemplo, mediante irradiación o tratamiento térmico. Un ejemplo común es la irradiación de piedras preciosas, donde el color de las gemas se controla exponiéndolas a la irradiación. La radiación crea defectos en los cristales y estos afectan las propiedades ópticas de las gemas. En principio, se podrían utilizar estos métodos para controlar los defectos y, por tanto, el movimiento de los racimos. La forma exacta en que esto funcionaría depende del sustrato y los racimos ".

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