L'uso di agenti catalitici efficienti è ciò che rende fattibili molte procedure tecniche in primo luogo. Infatti, la sintesi di oltre l'80% dei prodotti generati nell'industria chimica richiede l'input di catalizzatori specifici. La maggior parte di questi sono catalizzatori allo stato solido, e le reazioni che rendono possibili avvengono tra molecole che adsorbono alla loro superficie.

Le proprietà specifiche del catalizzatore consentono alle molecole di partenza di interagire e accelerare la reazione tra di loro, senza consumare o alterare il catalizzatore stesso. Però, una catalisi efficiente richiede anche una miscelazione efficiente, quindi i reagenti devono poter diffondere lateralmente sulla superficie del catalizzatore per massimizzare la possibilità di subire la reazione desiderata. Nelle condizioni impiegate nei processi industriali, però, la superficie del catalizzatore è generalmente così densa di particelle adsorbite che non è chiaro come le molecole possano diffondersi efficacemente. I ricercatori guidati dal professor Joost Wintterlin presso il Dipartimento di Chimica della Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) hanno ora dimostrato che, sebbene i reagenti trascorrano effettivamente del tempo praticamente intrappolati sulla superficie del catalizzatore, le fluttuazioni locali nell'occupazione offrono spesso opportunità di cambiare posizione. Le nuove scoperte appaiono nella principale rivista Scienza .

Al fine di ottenere informazioni sui processi molecolari che avvengono su un catalizzatore allo stato solido, Wintterlin e colleghi hanno utilizzato la microscopia a effetto tunnel (STM) per monitorare la mobilità dei singoli atomi di ossigeno su un catalizzatore di rutenio (Ru) densamente imballato con molecole di monossido di carbonio (CO) adsorbite. "Abbiamo scelto questo sistema perché l'ossidazione di CO in CO2 su metalli appartenenti al gruppo del platino è un modello ben studiato per la catalisi allo stato solido in generale, " spiega Winterlin. Tuttavia, La convenzionale microscopia a scansione a effetto tunnel non sarebbe stata in grado di catturare la dinamica superficiale di questo sistema di reazione. Ma il team è riuscito a migliorare la velocità di acquisizione dei dati, raggiungendo infine velocità fino a 50 immagini al secondo, abbastanza alte da realizzare video della dinamica delle particelle sul catalizzatore.

Le immagini STM hanno rivelato che gli atomi di ossigeno sono completamente circondati da gabbie triangolari formate da molecole di CO adsorbite sulla superficie del catalizzatore Ru. L'analisi dei video ha mostrato che i singoli atomi di ossigeno possono saltare solo tra tre posizioni formate dagli interstizi degli atomi di Ru. "Ma, con nostra sorpresa, abbiamo anche osservato che un atomo può uscire dalla sua gabbia, e improvvisamente inizia a diffondersi attraverso la matrice di monossido di carbonio a una velocità quasi pari a quella di una superficie completamente vuota, "dice Ann-Kathrin Henß, primo autore del lavoro di ricerca. In collaborazione con il professor Axel Groß dell'Istituto di chimica teorica dell'Università di Ulm, i ricercatori di Monaco sono riusciti a collegare questo fenomeno con le fluttuazioni della densità locale della CO in superficie, che danno luogo a regioni in cui le molecole sono più o meno strettamente impaccate tra loro. Quando una tale fluttuazione si verifica in prossimità di un atomo di ossigeno, quest'ultimo può fuggire dalla sua gabbia, e si fa strada verso una nuova posizione. Infatti, questo "meccanismo di apertura della porta" apre percorsi di diffusione così rapidamente che il movimento degli atomi di ossigeno attraverso la matrice non viene ostacolato in modo significativo. Questo spiega perché riescono quasi sempre a trovare un nuovo partner legante per la reazione facilitata dal catalizzatore.