Graden av surhet eller alkalinitet hos ett ämne är avgörande för dess kemiska beteende. Den avgörande faktorn är den så kallade protonaffiniteten, som indikerar hur lätt en entitet accepterar eller släpper en enskild proton. Även om det är lätt att mäta detta för molekyler, det har inte varit möjligt för ytor. Detta är viktigt eftersom atomer på ytor har väldigt olika protonaffiniteter, beroende på var de sitter. Forskare vid TU Wien har nu lyckats göra denna viktiga fysiska kvantitet experimentellt tillgänglig för första gången:Med hjälp av ett speciellt modifierat atomkraftmikroskop, det är möjligt att studera enskilda atomers protonaffinitet. Detta bör hjälpa till att analysera katalysatorer i atomär skala. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Precision istället för genomsnittlig

"Alla tidigare mätningar av ytsurhet hade en allvarlig nackdel, " säger prof. Ulrike Diebold från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien. "Även om ytatomerna beter sig kemiskt olika, man kunde bara någonsin mäta medelvärdet."

Det är alltså inte känt vilka atomer som bidrog till kemiska reaktioner, och i vilken utsträckning, vilket gör det omöjligt att justera ytans atomära skala för att gynna vissa kemiska reaktioner. Men det är precis vad som behövs, till exempel, när man letar efter effektivare katalysatorer för väteproduktion.

"Vi analyserade ytor gjorda av indiumoxid. De är särskilt intressanta eftersom det finns fem olika typer av OH-grupper med olika egenskaper på ytan, säger Margareta Wagner, som utförde dessa mätningar i prof. Diebolds labb.

Med ett speciellt knep var det möjligt att studera dessa OH-grupper individuellt:Forskarna placerade en enda OH-grupp i spetsen av ett atomkraftmikroskop. Denna spets placerades sedan specifikt över en viss atom på ytan. En kraft verkar sedan mellan OH-gruppen på spetsen och OH-gruppen direkt under den på indiumoxidytan, och denna kraft beror känsligt på avståndet mellan dem.

"Vi varierar avståndet mellan spetsen och ytan och mäter hur detta förändrar kraften, " förklarar Margareta Wagner. "Detta ger oss en karakteristisk kraftkurva för varje OH-grupp på ytan av ett material." Formen på denna kraftkurva ger information om hur väl respektive syreatomer på indiumoxidytan håller sina protoner - eller hur lätt de kommer att släppa dem.

För att få ett verkligt värde för protonaffiniteten, teoretiskt arbete var nödvändigt. Detta utfördes av Bernd Meyer vid Friedrich-Alexander-Universitetet Erlangen-Nürnberg, Tyskland. I utarbetade datorsimuleringar var det möjligt att visa hur kraftkurvan för atomkraftmikroskopet på ett enkelt och exakt sätt kan översättas till de storheter som behövs inom kemin.

Nanostruktur bestämmer kvaliteten på katalysatorer

"Detta är ganska avgörande för den fortsatta utvecklingen av katalysatorer, " säger Bernd Meyer. "Vi vet att atomer av samma typ beter sig ganska olika beroende på deras atomära grannar och hur de är införlivade i ytan." det kan göra stor skillnad om ytan är helt slät eller har steg i atomär skala. Atomer med ett mindre antal grannar sitter vid sådana stegkanter, och de kan potentiellt avsevärt förbättra eller förvärra kemiska reaktioner.

"Med vår funktionaliserade scanning force mikroskopspets, vi kan nu exakt undersöka sådana frågor för första gången, " säger Ulrike Diebold. "Detta betyder att vi inte längre behöver förlita oss på försök och misstag, men kan exakt förstå och förbättra kemiska egenskaper hos ytor."