Syre är mycket reaktivt. Det ackumuleras på många ytor och bestämmer deras kemiska beteende. Vid Wiens tekniska universitet, forskare studerar samspelet mellan syre och metalloxidytor, som spelar en viktig roll i många tekniska tillämpningar, från kemiska sensorer och katalysatorer till elektronik.

Dock, det är extremt svårt att studera syremolekyler på metalloxidytan utan att förändra dem. På TU Wien, detta har nu uppnåtts med ett speciellt trick:en enda syreatom är fäst vid spetsen av ett atomkraftmikroskop och sedan styrs den försiktigt över ytan. Kraften mellan ytan och syreatomen mäts, och en bild tas med extremt hög upplösning. Resultaten har nu publicerats i tidningen PNAS .

Olika typer av syre

"Under de senaste åren har ganska mycket forskning har gjorts om hur syre ansluter sig till metalloxidytor, "säger professor Martin Setvin från Institute of Applied Physics vid TU Wien." Förblir O2 -molekyler intakta, eller är de uppdelade i enstaka atomer? Eller kan det vara möjligt att så kallade tetraoxygen bildas, ett komplex med fyra atomer? Sådana frågor är viktiga för att förstå kemiska reaktioner på metalloxidytan. "

Tyvärr, det är inte lätt att ta en bild av dessa atomer. Skanningstunnelmikroskop används ofta för att avbilda ytor atom för atom. En fin spets passeras över provet på ett extremt kort avstånd, så att enskilda elektroner kan passera mellan provet och spetsen. Den lilla elektriska strömmen som resulterar mäts. Dock, denna metod kan inte användas för syremolekyler - de skulle bli elektriskt laddade och helt ändra sitt beteende.

Wienforskarna använde istället ett atomkraftmikroskop. Även här, en tunn spets flyttas över ytan. I detta fall, inga strömflöden, men kraften som verkar mellan spetsen och ytan mäts. Ett särskilt trick var avgörande - spetsens funktionalisering:"En enda syreatom fångas först upp av atomkraftmikroskopets spets och förflyttas sedan över ytan, "förklarar Igor Sokolovic. Syreatomen fungerar således som en mycket känslig sond för att undersöka ytan punkt för punkt.

Eftersom ingen ström flyter och syreatomen aldrig kommer i full kontakt med ytan, denna metod är extremt skonsam och förändrar inte atomerna på metalloxidytan. På det här sättet, geometrin för syreförrådet på metalloxiden kan undersökas i detalj.

En mångsidig metod

"Denna funktionalisering av spetsen genom att placera en mycket specifik atom på den har utvecklats under de senaste åren, och vi visar nu för första gången att den kan appliceras på metalloxidytor, säger Setvin.

Det visar sig att syremolekylerna kan fästas till metalloxiden på olika sätt - antingen på titanatomerna vid ytan eller vid vissa positioner, där en syreatom saknas. Beroende på temperaturen, syremolekylerna kan sedan dela upp sig i två individuella syreatomer. Dock, inget tetraoxygen - ett hypotetiskt komplex med fyra syreatomer - hittades.

"De titanoxidytor som vi undersöker på detta sätt är ett prototypfodral för att testa denna metod, "förklarar Martin Setvin." Men de insikter som vi får från våra experiment gäller också många andra material. "Mikroskopi med en funktionaliserad spets i ett atomkraftmikroskop är en mångsidig metod för att avbilda en ytstruktur med atomupplösning utan förstörelse och utan elektronisk förändra.