Il ghiacciolo ultrapulito (a sinistra) e la gocciolina, dopo la fusione. Attestazione:TU Wien
In natura, non esiste una superficie veramente pulita. Il contatto con l'aria normale è sufficiente per rivestire qualsiasi materiale con un sottile strato di molecole. Questo "sporco molecolare" può modificare notevolmente le proprietà del materiale, tuttavia le molecole stesse sono difficili da studiare. Alcuni hanno ipotizzato che questo "sporco" sia semplicemente un singolo strato di molecole d'acqua. Per testare questa idea, alla TU Wien è stato sviluppato un nuovo metodo di indagine:creando ghiaccio ultrapuro in una camera a vuoto e poi fondendolo, i ricercatori potrebbero creare le gocce d'acqua più pulite del mondo, che sono stati poi applicati su superfici in biossido di titanio.
Con questo metodo, i ricercatori hanno dimostrato che lo "sporco" che modifica le proprietà delle superfici di biossido di titanio è uno strato di una singola molecola di due acidi organici:acido acetico (che rende acido l'aceto) e il suo parente stretto, acido formico. Questo è sorprendente, perché di questi acidi si trovano solo minuscole tracce nell'aria. Questi risultati e i dettagli del nuovo metodo sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Scienza .
Strutture inspiegabili
Biossido di titanio (TiO 2 ) è un minerale abbondante che svolge un ruolo importante in una vasta gamma di applicazioni tecniche, comprese le superfici autopulenti. Per esempio, un sottile strato di biossido di titanio impedisce agli specchi di appannarsi in presenza di aria umida. Usando microscopi molto potenti, ricercatori di tutto il mondo hanno osservato una molecola sconosciuta che si attaccava alle superfici del biossido di titanio quando venivano a contatto con l'acqua.
È stata proposta l'idea che queste molecole fossero un nuovo tipo di ghiaccio d'acqua o forse acqua gassata formata dall'anidride carbonica nell'aria. La risposta corretta è molto più interessante:come ha scoperto il team di ricerca, queste strutture sono in realtà due acidi organici, acido acetico e acido formico. Questi acidi sono sottoprodotti della crescita delle piante. Sorprendentemente, solo piccole tracce di questi acidi si trovano nell'aria:poche molecole di acido per miliardo di molecole d'aria. Sebbene molte altre molecole siano più comuni nell'aria, sono questi due acidi che si attaccano alla superficie dell'ossido di metallo e ne modificano il comportamento.
Una simulazione grafica del monostrato acido formico/acido acetico sulla superficie del biossido di titanio. Titanio, ossigeno, gli atomi di carbonio e idrogeno sono blu, rosso, bianco e nero, rispettivamente. Credito:Cornell University
Acqua ultrapura sottovuoto
"Per evitare le impurità, esperimenti come questi devono essere condotti nel vuoto, "dice Ulrike Diebold. "Pertanto, abbiamo dovuto creare una goccia d'acqua che non entrasse mai in contatto con l'aria, quindi posizionare la goccia su una superficie di biossido di titanio che era stata scrupolosamente pulita fino alla scala atomica." Questo compito era reso ancora più difficile dal fatto che le gocce d'acqua evaporano molto rapidamente nel vuoto, indipendentemente dalla temperatura.
I ricercatori hanno ideato un nuovo metodo di indagine ingegnoso. La loro soluzione era fare un "dito freddo" nel loro vuoto. La punta di questo dito di metallo viene raffreddata a circa -140°C e il vapore acqueo ultrapuro viene quindi lasciato fluire nella camera. L'acqua si gela sulla punta del dito freddo, producendo un piccolo, ghiacciolo ultra-pulito. Il campione di biossido di titanio viene quindi posto sotto il dito. Quando il ghiacciolo si scioglie, gocce di acqua ultrapura sul campione.
La colpa è degli acidi organici
La superficie è stata quindi studiata utilizzando microscopi ad alta potenza, ma gli scienziati non hanno visto tracce delle molecole sconosciute usando acqua ultrapura. Anche quando facevano l'acqua gassata con l'anidride carbonica, lo strano "strato di sporco" non è stato trovato. Ciò significa che le molecole devono provenire da qualcosa di diverso dall'acqua o dall'anidride carbonica.
Solo quando il campione viene portato a contatto con l'aria compaiono le strane molecole. interessante, le stesse molecole sono state osservate in diverse parti del mondo, nella città di Vienna e in una parte rurale degli Stati Uniti. L'analisi chimica ha mostrato che erano semplici acidi organici tipicamente prodotti dalle piante.
"Questo risultato ci mostra quanto dobbiamo essere attenti quando conduciamo esperimenti di questo tipo, " dice Ulrike Diebold. "Anche piccole tracce nell'aria, che in realtà potrebbe essere considerato insignificante, a volte sono decisive».
I risultati del lavoro di ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Scienza .
