In de natuur, er bestaat niet zoiets als een echt schoon oppervlak. Contact met normale lucht is voldoende om elk materiaal te bedekken met een dun laagje moleculen. Dit "moleculaire vuil" kan de eigenschappen van het materiaal aanzienlijk veranderen, toch zijn de moleculen zelf moeilijk te bestuderen. Sommigen hebben gespeculeerd dat dit "vuil" gewoon een enkele laag watermoleculen is. Om dit idee te testen, aan de TU Wien is een nieuwe onderzoeksmethode ontwikkeld:door ultrapuur ijs te maken in een vacuümkamer en dit vervolgens te smelten, onderzoekers kunnen 's werelds schoonste waterdruppels maken, die vervolgens werden aangebracht op titaniumdioxide-oppervlakken.

Met deze methode, de onderzoekers hebben aangetoond dat het "vuil" dat de eigenschappen van titaniumdioxide-oppervlakken verandert, een enkele molecuul dikke laag is van twee organische zuren:azijnzuur (dat azijn zuur maakt) en zijn naaste verwant, mierenzuur. Dit is verrassend, omdat er slechts minieme sporen van deze zuren in de lucht worden aangetroffen. Deze resultaten en de details van de nieuwe methode zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Onverklaarbare structuren

Titaandioxide (TiO ₂ ) is een overvloedig mineraal dat een belangrijke rol speelt in een breed scala aan technische toepassingen, inclusief zelfreinigende oppervlakken. Bijvoorbeeld, een dunne laag titaniumdioxide voorkomt dat spiegels beslaan in vochtige lucht. Met behulp van zeer krachtige microscopen, onderzoekers over de hele wereld zagen een onbekende molecule zich hechten aan titaniumdioxide-oppervlakken wanneer ze in contact kwamen met water.

Het idee is geopperd dat deze moleculen een nieuw type waterijs waren of misschien sodawater gevormd uit koolstofdioxide in de lucht. Het juiste antwoord is veel interessanter:zoals het onderzoeksteam ontdekte, deze structuren zijn eigenlijk twee organische zuren, azijnzuur en mierenzuur. Deze zuren zijn bijproducten van de plantengroei. Opmerkelijk is dat er slechts minuscule sporen van deze zuren in de lucht voorkomen - een paar zuurmoleculen per miljard luchtmoleculen. Hoewel veel andere moleculen vaker in lucht voorkomen, het zijn deze twee zuren die zich aan het metaaloxide-oppervlak hechten en het gedrag ervan veranderen.

Ultrapuur water in een vacuüm

"Om onzuiverheden te voorkomen, experimenten als deze moeten in een vacuüm worden uitgevoerd, ", zegt Ulrike Diebold. "Daarom, we moesten een waterdruppel maken die nooit in contact kwam met de lucht, plaats dan de druppel op een titaandioxide-oppervlak dat tot op atomaire schaal zorgvuldig is schoongemaakt." Deze taak werd nog moeilijker gemaakt door het feit dat waterdruppels extreem snel verdampen in een vacuüm, ongeacht de temperatuur.

De onderzoekers bedachten een ingenieuze nieuwe onderzoeksmethode. Hun oplossing was om een ​​'koude vinger' in hun vacuüm te maken. De punt van deze metalen vinger wordt afgekoeld tot ongeveer -140°C en vervolgens laat men ultrazuivere waterdamp in de kamer stromen. Het water bevriest op het topje van de koude vinger, het produceren van een kleine, ultra-schone ijspegel. Het titaniumdioxidemonster wordt vervolgens onder de vinger geplaatst. Als de ijspegel smelt, ultrapuur water valt op het monster.

Organische zuren zijn de schuldige

Het oppervlak werd vervolgens onderzocht met behulp van krachtige microscopen, maar de wetenschappers zagen geen sporen van de onbekende moleculen die ultrapuur water gebruikten. Zelfs toen ze sodawater maakten met koolstofdioxide, de vreemde "vuillaag" werd niet gevonden. Dit betekent dat de moleculen van iets anders moeten komen dan water of koolstofdioxide.

Pas als het monster in contact wordt gebracht met lucht, verschijnen de vreemde moleculen. interessant, dezelfde moleculen werden waargenomen in verschillende delen van de wereld - in het stedelijke Wenen en in een landelijk deel van de Verenigde Staten. Chemische analyse toonde aan dat het eenvoudige organische zuren waren die typisch door planten worden geproduceerd.

"Dit resultaat laat ons zien hoe voorzichtig we moeten zijn bij het uitvoeren van dit soort experimenten, " zegt Ulrike Diebold. "Zelfs kleine sporen in de lucht, die eigenlijk als onbeduidend kunnen worden beschouwd, zijn soms beslissend."

De resultaten van het onderzoekswerk zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .