Spektakulära elektronmikroskopbilder vid TU Wien leder till viktiga fynd:Kemiska reaktioner kan producera spiralliknande flerfrekventa vågor och därmed ge lokal information om katalysatorer.

De verkar nästan hypnotiska, som en lavalampa. Vågorna som gjordes synliga vid TU Wien med hjälp av ett fotoemissionselektronmikroskop täcker ytan av rodiumfolie med bisarra mönster som dansar runt på ytan.

Vågor är kända i många väldigt olika former; som vattenvågor, ljusvågor eller ljudvågor. Men här har vi att göra med något helt annat – kemiska vågor. En kemisk reaktion äger rum på ytan av en kristall, men detta går inte bara i en riktning:istället, den återgår periodvis till sitt ursprungliga tillstånd. Beroende på fasen av denna cykliskt fortskridande reaktion, ytan på rodiumkristallen framstår som ljus eller mörk under fotoemissionselektronmikroskopet. Detta skapar ett rörligt vågmönster. Genombrottsprestationen var att observera denna effekt samtidigt på olika mikroskopiskt små korn av en polykristallin katalysator. Fascinerande spiralstrukturer bildas där, vars rörelse tillåter oss att samla information om egenskaperna hos de enskilda kristallkornen.

kaniner, rävar och kristaller

Vanligtvis, man föreställer sig en kemisk reaktion som denna:från specifika initiala reaktanter får man specifika slutprodukter. Men det behöver inte vara så enkelt. Självuppehållande svängningar kan förekomma, dvs periodiska förändringar mellan två olika tillstånd, " förklarar professor Günther Rupprechter vid Institutet för materialkemi vid TU Wien. Detta är känt från mycket olika vetenskapliga discipliner, såsom jägare-bytesmodeller. När rävar äter kaniner till den grad att det knappt finns några kaniner kvar, rävarna svälter och deras antal faller, och som ett resultat återhämtar sig kaninpopulationen. Liknande mönster förekommer i fastighetspriserna; eller till och med i kemiska reaktioner.

Teamet vid TU Wien studerar oxidation av väte, grunden för vilken bränslecell som helst. Dessa studier innebär att rodiumytor exponeras för en atmosfär av syre och väte. Ursprungligen adsorberas molekyler av syre (O2) på ytan där de dissocierar till syreatomer. De enskilda syreatomerna kan sedan diffundera in i kristallen och bilda ett tunt lager av syre under det yttre rodiumskiktet. Dock, detta minskar ytans förmåga att binda syre. Alltmer, väte binds istället, som sedan reagerar för att bilda vatten med syret som tidigare adsorberats. Vattnet lämnar ytan igen, någon gång har antalet syreatomer återgått till den initiala låga nivån, och hela processen börjar om från början.

Olika vinklar, annan frekvens

"Sådana oscillerande reaktioner hade redan studerats av Nobelpristagaren Gerhard Ertl, " förklarar professor Yuri Suchorski, tidningens första författare, WHO, som professor Rupprechter, arbetade vid professor Ertls Berlininstitut innan han flyttade till TU Wien. "Men nu har vi tagit ytterligare ett viktigt steg:vi har lyckats uppnå ett tillstånd av många svängningar med olika frekvenser som sker samtidigt på olika korn av den polykristallina ytan." Dessa olika korn uppvisar kristallgitter som är orienterade i olika vinklar mot ytan.

Dessa vinklar spelar en avgörande roll:det geometriska arrangemanget av atomer på ytan av en kristall är beroende av i vilken riktning den skärs. Detta bestämmer också med vilken frekvens den kemiska reaktionen genomgår cykliska svängningar.

På en polykristallin yta, det finns då olika regioner där den cykliska processen sker med olika frekvenser. Det är just denna effekt som skapar dessa fascinerande vågmönster. När en kemisk våg rör sig över ytan och passerar från kanten av ett kristallkorn till ett annat, den snabbar upp eller saktar ner, liknar ljus som passerar från luften till vattnet. Detta förändrar de komplexa spiralvågstrukturerna enligt den speciella orienteringen av kornytan. "Vi kan sedan lära oss mycket om materialet från dessa strukturer, ", säger Günther Rupprechter. "Vi kan med ett ögonkast upptäcka vilka områden på vår yta som har överlägsna katalytiska egenskaper."

På väg mot framtida väteenergi

Det är nödvändigt att lära sig mer om den katalytiska oxidationen av väte. "För bränsleceller, framtidens mobila energikällor vars enda avgaser består av rent vatten, vi behöver nya material som hjälper till att katalytiskt förbränna väte. Men som tidigare, dessa processer är ännu inte helt förstådda", säger professor Yuri Suchorski. "Det finns fortfarande många öppna frågor här, och nu har vi en ny, mycket elegant sätt att undersöka dem vidare."