Atomair 'breiwerk' uitgehaald door elektrisch veld

In de afgelopen paar jaar is veel onderzoek verricht naar uiterst dunne naaldjes van koolstof, met een diameter van slechts enkele nanometers. Zulke 'nanobuisjes' zijn met behulp van een vlamboogtechniek vrij gemakkelijk in grote aantallen te maken. De wand van deze buisjes bestaat uit vlechtwerk van zeshoekige ringen van koolstofmoleculen. Een groep van Amerikaanse onderzoekers heeft iets heel merkwaardigs bij die naaldjes ontdekt: hun wand kan als breiwerk worden 'uitgehaald'.

De onderzoekers waren aan het bestuderen of zulke naaldjes geschikt zijn voor scanning probe microscopen: instrumenten waarin met een bijna atoom-scherp naaldje een oppervlak van heel nabij wordt afgetast en in kaart gebracht. Hiertoe wordt op het naaldje een spanning gezet, zodat uit de punt van de naald elektronen worden getrokken die naar het oppervlak bewegen: de veldemissie. De sterkte van die emissie hangt af van de afstand tot het betreffende oppervlak, dus van de waar te nemen structuren.

Een nanobuisje is gewoonlijk aan zijn uiteinden gesloten. Het kan echter makkelijk worden geopend door een uiteinde met behulp van een laserstraal tot verdampens toe te verhitten. De onderzoekers ontdekten dat de elektronenstroom (de veldemissie) in dat geval meer dan honderd maal zo sterk wordt. Dit komt doordat er na het openen een rafelige rand is ontstaan, met op atomaire schaal 'scherpe' uitsteeksels. Het meest opmerkelijke was echter dat de veldemissie tijdens de snelle afkoeling van het buisje tot kamertemperatuur niet afnam, zoals werd verwacht, maar nog eens toenam met een factor 100 en dan sterk fluctueerde (Science 269, p. 1550).

De onderzoekers hebben ontdekt dat deze fluctuaties ontstaan doordat uit de rand van het open buisje ketens van 10 tot 100 atomen worden getrokken, die onder invloed van de kracht van het elektrische veld strak worden gehouden. De bindingen langs deze atomaire draden zorgen voor een vrijwel metallische afscherming, waardoor het elektrische veld aan het uiteinde van de draad tot extreem hoge waarden wordt geconcentreerd. Als gevolg daarvan kan er bij een vrij lage veldspanning toch een zeer sterke elektronen-emissie optreden.

De onderzoekers vergelijken het proces van het uit de rand van het open buisje trekken van ketens van koolstofatomen met 'het uithalen van de mouw van een gebreide trui'. Koolstofatomen laten los van de rand, maar blijven in de draad aan elkaar zitten. Dit proces van uithalen kan stoppen wanneer de atomaire draad bij een atoom komt dat twee van de vele concentrische atoomlagen in de wand van de buis met elkaar verbindt. Bij een zeer hoge spanning is zo'n 'puntlas' echter niet meer in staat om het uithalen te stoppen. Dan worden één of meer lagen van de 'mouw' in één keer uitgehaald.