Atomen kunnen ook bij zeer lage temperatuur legeren

Een legering of alliage is een vaste oplossing van een metaal met een of meerdere andere metalen en/of elementen. Zo'n legering wordt gewoonlijk gemaakt door de verschillende metalen in gesmolten toestand, dus bij hoge temperatuur, te mengen en dit mengsel daarna af te koelen. Onderzoekers van de Osaka-universiteit in Yamadaoka (Japan) hebben nu ontdekt dat legeren ook mogelijk is bij zeer lage temperatuur. Hierbij wordt echter niet uitgegaan van het materiaal in bulkvorm maar in de vorm van ultrafijne deeltjes: clusters.

Clusters bestaan uit enkele tientallen tot honderden atomen. De diameter van deze kluitjes atomen ligt in de orde van één tot 10 nanometer (1 nm is een miljoenste millimeter). De belangstelling voor clusters is de afgelopen jaren sterk toegenomen. Dit komt doordat de fysische eigenschappen van deze deeltjes vaak verschillen van die van het bulkmateriaal. Maar over het legeren van clusters van de ene atoomsoort met andere atomen was tot nu toe nog weinig bekend.

De Japanse onderzoekers lieten eerst bij kamertemperatuur clusters van goudatomen ontstaan. Deze werden gekoeld tot temperaturen ver onder nul, waarna men er koperatomen op liet neerslaan. De elektronenmicroscoop liet zien dat de goudclusters snel veranderden in geheel of gedeeltelijk gelegeerde clusters, afhankelijk van de temperatuur. Bij -30 ß8C ontstond een homogene legering, bij -60 en -110 ß8C een inhomogene legering en bij -150 ß8C géén legering. In het laatste geval vormden de koperatomen een dun laagje op de goudclusters. Het legeren gebeurde in minder dan 20 seconden: vele malen sneller dan bij het materiaal in bulkvorm (J. Appl. Phys. 73, p. 1100).

De mate van legering kan volgens de onderzoekers verklaard worden via de structuur van de goudclusters. Men kan de clusters opgebouwd denken uit een harde kern die omringd wordt door een wat zachtere "schil'. Bij hogere temperatuur kunnen de koperatomen gemakkelijk naar het centrum van een goudcluster doordringen, waardoor een homogene legering ontstaat. Bij wat lagere temperatuur blijven de koperatomen in de schil van de cluster steken en bij nog lagere temperatuur dringen zij niet meer in de schil door.

Clusters kunnen soms bij temperaturen ver onder het smeltpunt van het bulkmateriaal continu van vorm en structuur veranderen: zij bevinden zich dan in een onstabiele, quasi-gesmolten toestand. Volgens de Japanse onderzoekers spelen deze veranderingen misschien een belangrijke rol in het alliageproces. Door het neerslaan van koperatomen zou een stabiele goudcluster in een quasi-vloeibare toestand kunnen komen, waardoor hij de koperatomen geheel of gedeeltelijk kan opnemen. Na deze "handeling' keert de cluster dan weer in zijn stabiele toestand terug.

(George Beekman)