(a-c) Immagini AFM prima (a) e dopo (b) manipolazione KPFS di O anno Domini 2− −O anno Domini 2− con la punta posizionata simmetricamente al centro e i corrispondenti profili di linea (c). Il doppio punto luminoso divenne uno solo, che indica la formazione di una specie molecolare di ossigeno, oh 2 2− . (d-f) immagini AFM prima (d) e dopo (e) manipolazione KPFS di O anno Domini 2− −O anno Domini 2− con la punta posizionata leggermente fuori dalla posizione centrale tra i due atomi e i corrispondenti profili di linea (f). (g-i) Immagini AFM prima (g) e dopo (h) manipolazione KPFS di O anno Domini 2− −O anno Domini 2− con la punta posizionata sopra un atomo di ossigeno e i corrispondenti profili di linea (i), indicando un cambiamento nello stato di carica da Oad2− a Oad − del solo atomo di ossigeno che si trova sotto la punta. (j−m) Le strutture ottimizzate DFT sono mostrate in ogni caso:(j) O anno Domini 2− −O anno Domini 2− ; (k) O anno Domini 2− −O anno Domini − ; (l) O anno Domini − −O anno Domini − ; e (m) O 2 2− adsorbito al Ti . in cima 5c posto. Si noti che esiste anche un altro sito di adsorbimento, il sito del ponte, vedi SI, sezione S9. Le linee orizzontali tratteggiate rappresentano le differenze di altezza degli adatomi di ossigeno. (UN), (B), e (C) denotano i tre scenari chiave di manipolazione, vedi testo.
Mentre individuare un singolo atomo di ossigeno sembra difficile, cercare di manipolare gli elettroni associati a quel singolo atomo per alterarne la carica sembra assolutamente impossibile. Però, per la prima volta, questo risultato è stato segnalato da un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Università di Osaka.
Insieme a collaboratori dalla Slovacchia e dal Regno Unito, lo studente laureato Yuuki Adachi del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Osaka ha recentemente pubblicato questa ricerca in ACS Nano .
L'ossigeno è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra. Solitamente trovato nella sua forma biatomica, oh 2 , l'ossigeno è altamente reattivo e non rimane a lungo allo stato gassoso. Lo stato fondamentale, o la forma meno reattiva dell'ossigeno, è indicato come ossigeno tripletta perché ha tre possibili disposizioni di spin degli elettroni. Però, ossigeno singoletto, con la sua unica disposizione di rotazione, è più reattivo e svolge un ruolo importante in una vasta gamma di reazioni chimiche, che vanno dalla produzione di carburante verde ai trattamenti fotodinamici del cancro.
Non sorprende quindi, c'è un interesse significativo nel controllare la formazione e l'attivazione dell'ossigeno molecolare.
"Abbiamo usato la spettroscopia di forza della sonda Kelvin per esaminare gli stati di carica degli atomi di ossigeno attaccati a una superficie di rutilo di biossido di titanio, e quindi manipolare la carica attraverso il trasferimento di singoli elettroni da e verso coppie di atomi di ossigeno, " spiega Adachi. "Abbiamo identificato tre diversi stati di carica tra le coppie:O - /O - , oh 2- /O 2- , e O - /O 2- . A seconda della tensione applicata e di dove abbiamo posizionato la punta della sonda rispetto agli atomi, potremmo quindi commutare reversibilmente la carica tra O - e O 2- stati."
Il team ha quindi dimostrato di poter utilizzare lo stesso metodo per indurre controlli, formazione di legame reversibile tra due atomi di ossigeno adiacenti, formando ossigeno molecolare (O 2 ).
interessante, hanno anche scoperto che lo stato di carica poteva essere controllato a distanza posizionando la punta altrove sulla superficie del rutilo. Gli elettroni sono stati trasferiti agli atomi di ossigeno tramite polaroni superficiali, un fenomeno in cui gli elettroni possono viaggiare attraverso un reticolo cristallino.
"Questo livello di controllo sullo stato di carica degli atomi di ossigeno non era possibile in precedenza, ", afferma l'autore corrispondente dello studio, il professore associato Yan Jun Li. "Il nostro lavoro fornisce un nuovo metodo per esaminare le reazioni catalitiche a base di ossido di metallo di transizione, e può essere probabilmente applicato ad altri atomi, e forse altre superfici, dove vengono eseguite reazioni chimiche controllate avviate dalla manipolazione della carica."
