Точность вместо средней
«Все предыдущие измерения кислотности поверхности имели один серьезный недостаток», – говорит проф. Ульрике Дибольд из Института прикладной физики Венского технического университета. "Хотя поверхностные атомы химически ведут себя по-разному, можно было измерить только среднее значение."
Таким образом, неизвестно, какие атомы участвовали в химических реакциях и в какой степени, что делает невозможным регулирование атомного масштаба поверхности в пользу определенных химических реакций.
Но это именно то, что нужно, например, при поиске более эффективных катализаторов для производства водорода.
«Мы проанализировали поверхности из оксида индия. Они особенно интересны, потому что существует пять различных типов групп ОН с разными свойствами на поверхности », – говорит Маргарета Вагнер, которая проводила эти измерения в проф. Лаборатория Дибольда.
С помощью специального трюка можно было изучать эти группы ОН по отдельности: исследователи поместили одну группу ОН на кончик атомно-силового микроскопа. Затем этот наконечник помещали специально над одним конкретным атомом на поверхности.
Затем между группой ОН на острие и группой ОН непосредственно под ним на поверхности оксида индия действует сила, и эта сила сильно зависит от расстояния между ними.
«Мы меняем расстояние между наконечником и поверхностью и измеряем, как это меняет силу», – объясняет Маргарета Вагнер. "Это дает нам характеристическую кривую силы для каждой группы ОН на поверхности материала."Форма этой кривой силы дает информацию о том, насколько хорошо соответствующие атомы кислорода на поверхности оксида индия удерживают свои протоны – или насколько легко они их высвобождают.
Чтобы получить реальное значение сродства к протону, потребовалась теоретическая работа.
Это было выполнено Берндом Мейером в Университете Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге, Германия. С помощью детального компьютерного моделирования можно было показать, как силовая кривая атомно-силового микроскопа может быть просто и точно преобразована в те величины, которые необходимы в химии.
Наноструктура определяет качество катализаторов
«Это очень важно для дальнейшей разработки катализаторов», – говорит Бернд Мейер. "Мы знаем, что атомы одного и того же типа ведут себя по-разному в зависимости от их атомных соседей и того, как они встраиваются в поверхность."Например, может иметь большое значение, является ли поверхность идеально гладкой или имеет ступеньки в атомном масштабе.
Атомы с меньшим количеством соседей располагаются на таких краях ступеней, и они потенциально могут значительно улучшить или ухудшить химические реакции.
«Благодаря нашему функционализированному наконечнику сканирующего силового микроскопа мы впервые можем точно исследовать такие вопросы», – говорит Ульрике Дибольд. «Это означает, что нам больше не нужно полагаться на метод проб и ошибок, мы можем точно понять и улучшить химические свойства поверхностей."