Bir Kristal İkiye Bölündüğünde Tuhaf Şeyler Olur

Fotoğraf : Labirent benzeri bir yapı yüzeye çıkmaktadır.

İyonik kristallerin dikkat çekici gücü, atomik ölçekte kolayca açıklanır. Pozitif ve negatif yüklü atomlar tekrarlanan bir periyodik düzenleme ile yan yana konumlanırlar. Aralarındaki güçlü elektrostatik kuvvet onları bir arada tutar.

Peki bu düzenli model aniden sona erdiğinde ne olur? Viyana Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, belirli yönlerde potasyum tantalat kristallerini özenle parçaladılar ve oluşan yüzeyleri en son teknolojiye sahip atomik kuvvet mikroskobu kullanarak görüntülediler. Sonrasında bu veriler Viyana Üniversitesi’nde yapılan hesaplamalar ile birleştirildi ve sonuç olarak bir dizi çarpıcı olay gözlemlendi. Sonuçlar Science‘da yayınlandı ve bu çalışma potansiyel olarak hidrojen üretimi gibi teknolojiler için oldukça yararlı olacaktır.

Bir satranç tahtasında, satırlar ve sütunlar arasında dönüşümlü olarak siyah ve beyaz kareler bulunur, fakat köşeden köşeye bir açı ile bakıldığında ise siyah beyaz sıralar olarak görünür. İki boyutlu olan bu siyah beyaz kareler, tıpkı üç boyutlu bir kristale benziyor. Viyana Teknoloji Üniversitesi Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden Prof. Ulrike Diebold, “Eğer bir kübik kristal belirli bir yönde bölünürse yüzeyde sadece pozitif veya sadece negatif yükler ortaya çıkabilir ve böyle bir durum son derece dengesiz olur” diye açıklıyor. Tamamen pozitif ve negatif yüklü tabakaların birbiri üzerinde istiflenmeside küçük bir numune boyunca milyonlarca volt potansiyelinin oluşmasıyla sonuçlanacaktır. Bilim insanları bu durumu “kutup felaketi” olarak adlandırıyor. Bu durumu önlemek için atomların yeniden düzenlenmesi gerekiyor. Ama nasıl?

Fotoğraf : Kristal kırıldıktan sonra görülebilen ada yapıları.

Yayının ilk yazarı olan Martin Setvin, “Bir kristali ayırdığımızda yüzeyinin tepki gösterebileceği farklı yollar vardır. Elektronlar belirli yerlerde birikebilir, kristal kafesi bozulabilir veya atmosferdeki moleküller kristalin yüzeyine yapışarak özelliklerini değiştirebilir” diyor.

Çok düşük sıcaklıklarda kırılmış bir kristalin negatif yüklü katmanının, yarısının bir tarafta, diğer yarısının da öteki tarafta olduğu; taramalı tünelleme mikroskopu ile oldukça açık bir şekilde görülmektedir. Negatif yüklü adacıklar her yüzeyin tam yüzde 50’sini kapladığından yüzey elektriksel olarak nötr oluyor. Setvin, “Ancak ada oldukça büyük, bu yüzden kutupsal felaket tamamen önlenemiyor. Bu yük adacıkları da, altındaki alanda bulunan malzemenin fiziksel özelliklerini değiştiriyor” diyor.

Garip ama, yüzeyin sıcaklığını biraz yükselttiğimizde; adalar birbirinden ayrılır ve atomlar pürüzlü çizgilerin bir labirentini oluşturur. Bu labirentin “duvarları” sadece bir atom yüksekliğinde ve dört ila beş atom genişliğindedir ve hesaplamalar bunun gerçekten daha kararlı bir yapılanma olduğunu göstermektedir.

Diebold, “Labirent yapıları sadece güzel değil aynı zamanda potansiyel olarak kullanışlıdır. Tam da istenildiği gibi, atomik ölçekte güçlü elektrik alanlarının bulunduğu küçük yapılardır. Bunları kendiliğinden ilerleyemeyecek kimyasal reaksiyonları etkinleştirmek için kullanabiliriz. Hidrojen üretmek için suyun bileşenlerine ayrılması reaksiyonu buna örnek olarak verilebilir” diyor.

Setvin, “Bu garip kristal yüzeylerini teknolojide kullanmak, atomik ölçekte neler olduğunu anlamamızı gerektiriyor” diye vurguluyor. Bu yüzden mikroskopla incemeler yapmak bizim için çok önemlidir. Yüksek çözünürlüklü görüntülerde, bireysel atomları doğrudan gözlemleyebilir, nasıl hareket ettiğini izleyebilir ve sonunda doğanın ne yapmaya çalıştığını anlayabiliriz.   Belki o zaman, bu kristallerin nasıl kullanılacağını da çözebiliriz.

Kaynak: phys.org