Groen: terbium. Rood: mangaan. De kruisjes zijn de terbiumkernen die door mangaan zijn vervangen.

Grensvlakken tussen kristaldomeinen kunnen dienen als ‘nanoreactor’ waarin verbindingen ontstaan die je in een reageerbuisje nooit zult zien. Bijvoorbeeld een vorm van mangaan met magnetische eigenschappen, schrijven Groningse onderzoekers deze week in Nature.

Die domeinen ontstaan doordat kristallisatie vaak op een aantal plaatsen tegelijk begint. De kristalletjes groeien tegen elkaar en vormen voor het oog één blok vaste stof, maar op nanoschaal sluiten de domeinen net niet naadloos op elkaar aan. In de tussenliggende ‘domeinmuren’ van één of hooguit een paar atomen dik ontstaan mechanische spanningen, en dáár komt de bijzondere chemie uit voort.

Beatriz Noheda, Maxim Mostovoy en collega’s van het Zernike Institute for Advanced Materials wisten dit te demonstreren in een ‘epitaxiale’ laag terbium-mangaanoxide (TbMnO3) van enkele tientallen atomen dik, die ze lieten uitkristalliseren op een substraat van strontium-titaniumoxide. Dat proces hebben ze inmiddels voldoende in de hand om het aantal domeinmuren te kunnen instellen. Daarbij bleek dat het materiaal sterkere magnetische eigenschappen ging vertonen naarmate het aantal muurtjes toenam.

Wat er op atomaire schaal aan de hand is in die domeinmuren kun je uiteraard moeilijk zien. Maar uit nauwkeurige analyse van high-angle annular dark-field elektronenmicroscoopopnames (HAADF-STEM) kun je afleiden dat er alleen mangaan zit, en geen terbium.

Theoretische berekeningen bevestigen dat dat ook logisch is. De kristaloppervlakken vertonen een soort zigzagstructuur en als twee zigzags een beetje ongelukkig tegen elkaar aan schuiven, komen sommige terbiumkernen onaangenaam dicht op elkaar te liggen. Een mangaankern is kleiner en past dan beter.

Die extra mangaankernen verstoren vervolgens de magnetische interacties tussen de atoomlagen in de kristallen. En dat merk je.

De onderzoekers hopen op deze manier uiteindelijk nano-elektronische schakelelementen te kunnen maken. Maar ze hopen ook dat de anorganische chemie het oppikt als gereedschap voor het maken van nieuwe verbindingen.

bron: RUG