(a − c) AFM -bilder före (a) och efter (b) KPFS -manipulation av O annons 2− −O annons 2− med spetsen symmetriskt placerad i mitten och motsvarande linjeprofiler (c). Den dubbla ljuspunkten blev en enda, indikerar bildning av en syremolekylart, O 2 2− . (d − f) AFM -bilder före (d) och efter (e) KPFS -manipulation av O annons 2− −O annons 2− med spetsen placerad något från mittläget mellan de två atomerna och motsvarande linjeprofiler (f). (g − i) AFM -bilder före (g) och efter (h) KPFS -manipulation av O annons 2− −O annons 2− med spetsen placerad ovanför en syreatom och motsvarande linjeprofiler (i), indikerar en förändring av laddningstillståndet från Oad2− till Oad - av endast syreatomen som är under spetsen. (j − m) DFT -optimerade strukturer visas i varje fall:(j) O annons 2− −O annons 2− ; (k) O annons 2− −O annons - ; (l) O annons - −O annons - ; och (m) O 2 2− adsorberas vid den översta Ti 5c webbplats. Observera att det också finns en annan adsorptionssajt, broplatsen, se SI, avsnitt S9. Streckade horisontella linjer skildrar höjdskillnaderna för syreatatomerna. (A), (B), och (C) betecknar de tre viktiga manipulationsscenarierna, se text.
Medan det låter svårt att fästa en enda syreatom, försöker sedan manipulera elektroner associerade med den enda atomen för att ändra sin laddning låter helt omöjligt. Dock, för första gången, denna prestation har rapporterats av ett internationellt forskargrupp som leds av Osaka University.
Tillsammans med samarbetspartners från Slovakien och Storbritannien, doktorand Yuuki Adachi från Osaka University Department of Applied Physics har nyligen publicerat denna forskning i ACS Nano .
Syre är ett av de mest förekommande elementen på jorden. Finns vanligtvis i sin diatomiska form, O 2 , syre är mycket reaktivt och hänger inte länge i gasform. Grundstaten, eller minst reaktiv form av syre, kallas triplett syre eftersom det har tre möjliga arrangemang av elektronspinn. Dock, singlet syre, med sitt enda möjliga snurrarrangemang, är mer reaktiv och spelar en stor roll i en mängd olika kemiska reaktioner, allt från produktion av grönt bränsle till fotodynamiska cancerbehandlingar.
Inte överraskande då, det finns ett betydande intresse för att kontrollera bildandet och aktiveringen av molekylärt syre.
"Vi använde Kelvin sondkraftspektroskopi för att undersöka laddningstillstånden för syreatomer fästa vid en titandioxid rutil yta, och för att sedan manipulera laddningen genom överföring av enskilda elektroner till och från par syreatomer, "förklarar Adachi." Vi identifierade tre olika laddningstillstånd bland paren:O - /O - , O 2- /O 2- , och O. - /O 2- . Beroende på den applicerade spänningen och var vi placerade sondens spets i förhållande till atomerna, vi kunde då reversibelt växla laddningen mellan O - och O. 2- stater."
Teamet visade sedan att de kunde använda samma metod för att framkalla kontrollerade, reversibel bindningsbildning mellan två närliggande syreatomer, bildar molekylärt syre (O 2 ).
Intressant, de fann också att laddningstillståndet kunde fjärrstyras genom att placera spetsen någon annanstans på rutilytan. Elektroner överfördes till syreatomerna via ytpolaroner, ett fenomen där elektroner kan färdas genom ett kristallgitter.
"Denna nivå av kontroll över laddningstillståndet för syreatomer har inte tidigare varit möjlig, "säger motsvarande författare till studien Docent Yan Jun Li." Vårt arbete ger en ny metod för att undersöka övergångsmetall-oxid-baserade katalytiska reaktioner, och kan troligen appliceras på andra atomer, och kanske andra ytor, där kontrollerade kemiska reaktioner som initieras genom laddningsmanipulation utförs. "
