Cosa succede quando un gatto si arrampica su un girasole? Il girasole è instabile, si piegherà rapidamente e il gatto cadrà a terra. Tuttavia, se il gatto ha solo bisogno di una rapida spinta per catturare un uccello da lì, il girasole può fungere da "passo intermedio metastabile". Questo è essenzialmente il meccanismo mediante il quale i singoli atomi di un catalizzatore catturano le molecole per trasformarle chimicamente.

Diversi anni fa, il gruppo di fisica delle superfici dell'Università della Tecnologia di Vienna ha scoperto che i catalizzatori a "atomo singolo" di platino potevano ossidare il monossido di carbonio a temperature che, secondo i loro modelli teorici, non avrebbero dovuto essere possibili. Ora, con l'ausilio di immagini al microscopio su scala atomica e complesse simulazioni al computer, sono stati in grado di dimostrare che sia il catalizzatore stesso che il materiale su cui è ancorato assumono per un breve tempo stati "metastabili" energeticamente sfavorevoli per consentire la reazione accada in un modo speciale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .

Singoli atomi come catalizzatori

Il gruppo di ricerca del Prof. Gareth Parkinson presso l'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien sta studiando i catalizzatori più piccoli possibili:i singoli atomi di platino sono posti su una superficie di ossido di ferro. Quindi entrano in contatto con il monossido di carbonio e si convertono in anidride carbonica, come accade negli scarichi di un'auto moderna.

"Questo processo è tecnicamente molto importante, ma ciò che accade esattamente quando le dimensioni del catalizzatore vengono ridotte al limite del singolo atomo non è stato chiaro fino ad ora", afferma Gareth Parkinson. "Nel nostro gruppo di ricerca, studiamo tali processi in diversi modi:da un lato, utilizziamo un microscopio a scansione tunnel per produrre immagini ad altissima risoluzione su cui è possibile studiare il movimento dei singoli atomi. E dall'altro lato , analizziamo il processo di reazione con spettroscopia e simulazioni al computer."

Il fatto che gli atomi di platino siano attivi come catalizzatori dipende dalla temperatura. Nell'esperimento, il catalizzatore viene riscaldato lentamente e in modo uniforme fino a raggiungere la temperatura critica e il monossido di carbonio viene convertito in anidride carbonica. Quella soglia è di circa 550 Kelvin. "Tuttavia, questo non si adattava alle nostre simulazioni al computer originali", afferma Matthias Meier, primo autore dell'attuale pubblicazione. "Secondo la teoria del funzionale della densità, che viene normalmente utilizzata per tali calcoli, il processo potrebbe aver luogo solo a 800 Kelvin. Quindi sapevamo:qualcosa di importante era stato trascurato qui fino ad ora."

Uno stato metastabile:di breve durata, ma importante

Per diversi anni, il team ha raccolto una vasta esperienza con gli stessi materiali in altre reazioni e, di conseguenza, passo dopo passo è emersa una nuova immagine. "Con la teoria del funzionale della densità, normalmente si calcola lo stato del sistema che ha l'energia più bassa", afferma Matthias Meier. "Questo ha senso, perché quello è lo stato che il sistema assume più spesso. Ma nel nostro caso, c'è un secondo stato che gioca un ruolo centrale:un cosiddetto stato metastabile."

Sia gli atomi di platino che la superficie dell'ossido di ferro possono passare avanti e indietro tra diversi stati fisici quantistici. Lo stato fondamentale, con l'energia più bassa, è stabile. Quando il sistema passa allo stato metastabile, ritorna inevitabilmente allo stato fondamentale dopo poco tempo, come il gatto che cerca di arrivare in cima su un palo da arrampicata instabile. Ma nella conversione catalitica del monossido di carbonio, è sufficiente che il sistema si trovi nello stato metastabile per un tempo molto breve:proprio come un breve momento in uno stato di arrampicata traballante potrebbe essere sufficiente perché il gatto catturi un uccello con la zampa , il catalizzatore può convertire il monossido di carbonio nello stato metastabile.

Quando il monossido di carbonio viene introdotto per la prima volta, due atomi di platino si uniscono per formare un dimero. Quando la temperatura è sufficientemente alta, il dimero può spostarsi in una posizione meno favorevole in cui gli atomi di ossigeno in superficie sono legati meno debolmente. Nello stato metastabile, l'ossido di ferro cambia la sua struttura atomica proprio a questo punto, rilasciando l'atomo di ossigeno di cui l'ossido di carbonio ha bisogno per formare anidride carbonica, che vola via istantaneamente, completando il processo di catalisi. "Se includiamo questi stati a breve termine precedentemente non contabilizzati nella nostra simulazione al computer, otteniamo esattamente il risultato che è stato misurato anche nell'esperimento", afferma Matthias Meier.

"Il risultato della nostra ricerca mostra che nella fisica delle superfici spesso è necessaria molta esperienza", afferma Gareth Parkinson. "Se non avessimo studiato processi chimici molto diversi nel corso degli anni, probabilmente non avremmo mai risolto questo enigma". Recentemente, l'intelligenza artificiale è stata utilizzata con grande successo anche per analizzare i processi chimici quantistici, ma in questo caso, Parkinson è convinto, probabilmente non avrebbe avuto successo. Per trovare soluzioni creative al di fuori di ciò che in precedenza si pensava possibile, dopotutto probabilmente hai bisogno degli umani. + Esplora ulteriormente

Singoli atomi come catalizzatori