När spänningen stiger kan oförutsedda saker hända. Det gäller även guldatomer. För första gången har forskare från bland annat Chalmers lyckats få ytan på ett guldföremål att smälta i rumstemperatur.

Så smälter guld i rumstemperatur: Illustrationen visar atomerna i en guldkon som utsätts för ett starkt elektriskt fält (Illustrationen: Alexander Ericson)

Det var när Ludvig de Knoop, institutionen för fysik på Chalmers, hade placerat en minimal guldkon i ett elektronmikroskop som det hände. Han hade ställt in maximal förstoring och dragit på ett extremt kraftigt elektriskt fält. Tanken var att han skulle studera hur guldatomerna påverkades av spänningen.
Det var inte förrän i efterhand, när han studerade filmen från mikroskopet, som han såg att de översta lagren av guldatomer smälte, i rumstemperatur.
– Jag blev verkligen överraskad av upptäckten. Det här är ett extraordinärt fenomen som ger oss nya grundläggande kunskaper om guld.
Det som hänt var att guldatomerna hade blivit exalterade. När de påverkades av det elektriska fältet lämnade de plötsligt sin ordnade struktur och släppte nästan alla kopplingar till varandra. Dessutom visade de fortsatta experimenten att det gick att växla mellan ordnad och smält struktur.
Att guldatomer släpper loss på det sättet är inte bara spektakulärt, utan också banbrytande vetenskapligt. Resultaten har publicerats i tidskriften Physical Review Materials och tillsammans med teoretikern Mikael Juhani Kuisma har Ludvig de Knoop och de andra kollegorna brutit ny mark inom materialvetenskapen.
Tack vare teoretiska beräkningar har forskarna kunnat förstå hur guld verkligen kan smälta i rumstemperatur. Möjligen kan ytsmältningen ses som en så kallad lågdimensionell fasövergång. I så fall ligger upptäckten inom ramen för forskningsområdet topologi, där pionjärerna David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz fick ta emot Nobelpriset i fysik 2016. Forskarna, med Mikael Juhani Kuisma i spetsen, tittar nu vidare på den möjligheten.
Hur som helst öppnar den kontrollerbara switchningen för olika praktiska tillämpningar i framtiden.
– Eftersom vi kan styra och byta egenskaper för de yttersta atomlagren öppnas dörrar för olika typer av applikationer, säger Eva Olsson, professor på institutionen för fysik på Chalmers. Till exempel kan tekniken användas i sensorer, katalysatorer och transistorer. Den erbjuder också möjligheter för nya koncept för kontaktlösa komponenter.
För den som vill smälta guld utan elektronmikroskop är det dock fortfarande guldsmeden som gäller.

Artikeln Electric-field-controlled reversible order-disorder switching of a metal tip surface har publicerats I Physical Review Materials. Den är skriven av Ludvig de Knoop, Mikael Juhani Kuisma, Joakim Löfgren, Kristof Lodewijks, Mattias Thuvander, Paul Erhart, Alexandre Dmitriev och Eva Olsson. Forskarna bakom resultaten är verksamma vid Chalmers, Göteborgs universitet, University of Jyväskylä i Finland och Stanford University i USA.

På Chalmers materialanalyslaboratorium (CMAL) finns avancerade instrument för materialforskning. Laboratoriet ligger formellt under institutionen för fysik men är öppet för alla forskare från universitet, institut och industri. Experimenten i den här studien har gjorts med hjälp av avancerade och högupplösta elektronmikroskop – i det här fallet så kallade transmissionselektronmikroskop (TEM). Stora investeringar har nyligen gjorts för att laboratoriet ska ligga i framkant när det gäller materialforskning. Totalt handlar det om utrustning för 66 miljoner kronor, varav forskningsfinansiären Knut och Alice Wallenbergs stiftelse har bidragit med hälften.

Filed under: SvenskTeknik