Il grado di acidità o alcalinità di una sostanza è cruciale per il suo comportamento chimico. Il fattore decisivo è la cosiddetta affinità protonica, che indica la facilità con cui un'entità accetta o rilascia un singolo protone. Mentre è facile misurare questo per le molecole, non è stato possibile per le superfici. Questo è importante perché gli atomi sulle superfici hanno affinità protoniche molto diverse, a seconda di dove si siedono. I ricercatori della TU Wien sono ora riusciti a rendere per la prima volta accessibile sperimentalmente questa importante quantità fisica:utilizzando un microscopio a forza atomica appositamente modificato, è possibile studiare l'affinità protonica dei singoli atomi. Questo dovrebbe aiutare ad analizzare i catalizzatori su scala atomica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Natura .

Precisione invece della media

"Tutte le misurazioni precedenti dell'acidità superficiale avevano un grave inconveniente, " afferma la prof.ssa Ulrike Diebold dell'Istituto di fisica applicata alla TU Wien. "Sebbene gli atomi di superficie si comportino chimicamente in modo diverso, si potrebbe sempre misurare solo il valore medio."

Quindi non è noto quali atomi abbiano contribuito alle reazioni chimiche, e fino a che punto, il che rende impossibile regolare la scala atomica della superficie per favorire determinate reazioni chimiche. Ma è proprio quello che serve, Per esempio, quando si cercano catalizzatori più efficaci per la produzione di idrogeno.

"Abbiamo analizzato superfici fatte di ossido di indio. Sono particolarmente interessanti perché ci sono cinque diversi tipi di gruppi OH con proprietà diverse sulla superficie, "dice Margareta Wagner, che ha effettuato queste misurazioni nel laboratorio del Prof. Diebold.

Con un trucco speciale è stato possibile studiare questi gruppi OH individualmente:i ricercatori hanno posizionato un singolo gruppo OH sulla punta di un microscopio a forza atomica. Questa punta è stata quindi posizionata specificamente su un particolare atomo sulla superficie. Una forza agisce quindi tra il gruppo OH sulla punta e il gruppo OH direttamente sotto di esso sulla superficie dell'ossido di indio, e questa forza dipende sensibilmente dalla distanza tra loro.

"Variamo la distanza tra la punta e la superficie e misuriamo come questo cambia la forza, " spiega Margareta Wagner. "Questo ci fornisce una curva di forza caratteristica per ciascun gruppo OH sulla superficie di un materiale." La forma di questa curva di forza fornisce informazioni su quanto bene i rispettivi atomi di ossigeno sulla superficie dell'ossido di indio trattengono i loro protoni, o con quanta facilità li rilasceranno.

Per ottenere un valore effettivo per l'affinità protonica, era necessario un lavoro teorico. Questo è stato realizzato da Bernd Meyer presso l'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg, Germania. In elaborate simulazioni al computer è stato possibile mostrare come la curva di forza del microscopio a forza atomica possa essere tradotta in modo semplice e preciso in quelle quantità che sono necessarie in chimica.

La nanostruttura determina la qualità dei catalizzatori

"Questo è abbastanza cruciale per l'ulteriore sviluppo di catalizzatori, " dice Bernd Meyer. "Sappiamo che gli atomi dello stesso tipo si comportano in modo molto diverso a seconda dei loro vicini atomici e del modo in cui sono incorporati nella superficie". Ad esempio, può fare una grande differenza se la superficie è perfettamente liscia o ha gradini su scala atomica. Gli atomi con un numero minore di vicini siedono ai bordi di tali gradini, e possono potenzialmente migliorare o peggiorare in modo significativo le reazioni chimiche.

"Con la nostra punta funzionalizzato per microscopio a forza di scansione, ora possiamo indagare con precisione su tali questioni per la prima volta, " dice Ulrike Diebold. "Ciò significa che non dobbiamo più fare affidamento su tentativi ed errori, ma può comprendere e migliorare con precisione le proprietà chimiche delle superfici."