I naturen, det finns inget sådant som en riktigt ren yta. Kontakt med normal luft är tillräcklig för att belägga alla material med ett tunt lager av molekyler. Denna "molekylära smuts" kan förändra materialets egenskaper avsevärt, ändå är själva molekylerna svåra att studera. Vissa har spekulerat i att denna "smuts" helt enkelt är ett enda lager av vattenmolekyler. För att testa denna idé, en ny undersökningsmetod har utvecklats vid TU Wien:Genom att skapa ultraren is i en vakuumkammare och sedan smälta den, forskare kan skapa världens renaste vattendroppar, som sedan applicerades på titandioxidytor.

Med denna metod, forskarna har visat att "smutsen" som förändrar egenskaperna hos titandioxidytor är ett enmolekyltjockt lager av två organiska syror:ättiksyra (som gör vinäger sur) och dess nära släkting, myrsyra. Detta är förvånande, eftersom endast små spår av dessa syror finns i luften. Dessa resultat och detaljerna om den nya metoden publicerades nyligen i tidskriften Vetenskap .

Oförklarliga strukturer

Titandioxid (TiO ₂ ) är ett rikligt mineral som spelar en viktig roll i ett brett spektrum av tekniska tillämpningar, inklusive självrengörande ytor. Till exempel, ett tunt lager titandioxid förhindrar att speglar immar i fuktig luft. Med hjälp av mycket kraftfulla mikroskop, forskare runt om i världen observerade en okänd molekyl som fäster på titandioxidytor när de kom i kontakt med vatten.

Tanken har föreslagits att dessa molekyler var en ny typ av vattenis eller kanske sodavatten som bildades av koldioxid i luften. Det rätta svaret är mycket mer intressant:som forskargruppen upptäckte, dessa strukturer är faktiskt två organiska syror, ättiksyra och myrsyra. Dessa syror är biprodukter av växttillväxt. Anmärkningsvärt nog förekommer bara små spår av dessa syror i luften - några syramolekyler per miljard luftmolekyler. Även om många andra molekyler är vanligare i luft, det är dessa två syror som fastnar på metalloxidytan och ändrar dess beteende.

Ultrarent vatten i vakuum

"För att undvika orenheter, experiment som dessa måste utföras i ett vakuum, " säger Ulrike Diebold. "Därför, vi var tvungna att skapa en vattendroppe som aldrig kom i kontakt med luften, placera sedan droppen på en titandioxidyta som noggrant hade rengjorts ner till atomskala." Denna uppgift försvårades ännu mer av det faktum att vattendroppar avdunstar extremt snabbt i vakuum, oavsett temperatur.

Forskarna kom på en genialisk ny undersökningsmetod. Deras lösning var att göra ett "kallt finger" i deras vakuum. Spetsen på detta metallfinger kyls till cirka -140°C och ultraren vattenånga tillåts sedan strömma in i kammaren. Vattnet fryser på toppen av det kalla fingret, producerar en liten, ultraren istap. Titandioxidprovet placeras sedan under fingret. När istappen smälter, ultrarent vatten droppar på provet.

Organiska syror är skyldiga

Ytan undersöktes sedan med hjälp av kraftfulla mikroskop, men forskarna såg inga spår av de okända molekylerna som använde ultrarent vatten. Även när de gjorde sodavatten med koldioxid, det konstiga "smutsskiktet" hittades inte . Det betyder att molekylerna måste komma från något annat än vatten eller koldioxid.

Först när provet kommer i kontakt med luft dyker de konstiga molekylerna upp. Intressant, samma molekyler observerades i olika delar av världen – i urbana Wien och på landsbygden i USA. Kemisk analys visade att de var enkla organiska syror som vanligtvis produceras av växter.

"Detta resultat visar oss hur försiktiga vi måste vara när vi utför experiment av det här slaget, " säger Ulrike Diebold. "Även små spår i luften, som faktiskt kan anses vara obetydlig, är ibland avgörande."

Resultaten av forskningsarbetet har publicerats i tidskriften Vetenskap .