De microscopisch kleine korrels waar een stuk koper uit is opgebouwd, liggen heel anders dan de wetenschap altijd dacht. Ze liggen niet strak in een vlak, maar er zijn ontelbare oneffenheden. Dat blijkt uit onderzoek van Ierse en Amerikaanse wetenschappers met elektronenmicroscopen.

Het staat in de studieboeken voor materiaalkunde: een stuk metaal dat op een nette manier is vervaardigd, bestaat op de nanoschaal uit miljoenen kleine korrels die tegen elkaar aan liggen. Elke korrel bevat op zijn beurt weer miljoenen koperatomen.

Maar het idee over hóe die korrels precies tegen elkaar aan liggen, moet op de schop, melden onderzoekers in Ierland en de VS. Ze vormen geen keurig nette rijen bolletjes, maar in het vlak liggen randen, putjes en hobbeltjes, schrijven de onderzoekers in een artikel in vakblad Science. Dit komt doordat koperkorrels ten opzichte van elkaar zijn geroteerd.
 

Perfect vlak

Eerste auteur Xiaopu Zhang met hoogleraar
John Boland naast de scanningtunnelingmicroscoop.

De onderzoekers deden de nieuwe inzichten over korrels in metalen op met behulp van een scanning-tunnelingmicroscoop. ‘We laten met ons onderzoek zien dat het onmogelijk is om perfect vlakke dunne lagen van koper en andere metalen te maken’, aldus onderzoeksleider John Boland van Trinity College.

Het onderzoek lijkt misschien geneuzel op de vierkante nanometer, maar de bevindingen zijn zeker relevant. De oriëntatie van de korrels in een stukje metaal beïnvloeden namelijk de elektrische, thermische en mechanische eigenschappen.
 

Geleiding niet optimaal

Neem de elektrische geleiding: deze ontdekking suggereert dat de elektrische geleiding van koper niet optimaal is. Oftewel: de bestaande elektrische contacten in apparaten zoals computers kunnen nog verbeterd worden. Je kan namelijk maatregelen nemen om te forceren dat de korrels in het metaal wel netjes in een vlak gaan liggen. Bijvoorbeeld door een ander, stijf metaal toe te voegen dat de korrels op hun plek houdt. Met een nieuwe manier van ontwerpen kunnen we apparaten dan efficiënter en zuiniger maken. Verliezen door elektrische weerstand kunnen namelijk omlaag en de batterijduur van elektronische apparaten kan omhoog.


Openingsbeeld Opname door de scanning-tunnelingmicroscoop van een koperoppervlak. Linksboven is een rand te zien; rechtsboven een vallei. Beeld X> Zhang et al., Science, 2017.