De zuurgraad of alkaliteit van een stof is cruciaal voor het chemische gedrag. Doorslaggevend is de zogenaamde protonaffiniteit, die aangeeft hoe gemakkelijk een entiteit een enkel proton accepteert of vrijgeeft. Hoewel het gemakkelijk is om dit voor moleculen te meten, het is niet mogelijk geweest voor oppervlakken. Dit is belangrijk omdat atomen op oppervlakken zeer verschillende protonaffiniteiten hebben, afhankelijk van waar ze zitten. Onderzoekers van de TU Wien zijn er nu in geslaagd om deze belangrijke fysieke grootheid voor het eerst experimenteel toegankelijk te maken:met behulp van een speciaal aangepaste atomic force microscoop, het is mogelijk om de protonaffiniteit van individuele atomen te bestuderen. Dit moet helpen om katalysatoren op atomaire schaal te analyseren. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Precisie in plaats van gemiddeld

"Alle eerdere metingen van de zuurgraad van het oppervlak hadden één groot nadeel, " zegt prof. Ulrike Diebold van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU Wien. "Hoewel de oppervlakte-atomen zich chemisch anders gedragen, men zou alleen de gemiddelde waarde kunnen meten."

Het is dus niet bekend welke atomen hebben bijgedragen aan chemische reacties, en in welke mate, waardoor het onmogelijk is om de atomaire schaal van het oppervlak aan te passen om bepaalde chemische reacties te bevorderen. Maar dat is precies wat nodig is, bijvoorbeeld, bij het zoeken naar effectievere katalysatoren voor de productie van waterstof.

"We analyseerden oppervlakken gemaakt van indiumoxide. Ze zijn vooral interessant omdat er vijf verschillende soorten OH-groepen met verschillende eigenschappen op het oppervlak zijn, " zegt Margareta Wagner, die deze metingen uitvoerde in het laboratorium van prof. Diebold.

Met een speciale truc was het mogelijk om deze OH-groepen afzonderlijk te bestuderen:de onderzoekers plaatsten een enkele OH-groep aan het uiteinde van een atoomkrachtmicroscoop. Deze punt werd vervolgens specifiek over één bepaald atoom op het oppervlak geplaatst. Er werkt dan een kracht tussen de OH-groep op de punt en de OH-groep direct daaronder op het indiumoxide-oppervlak, en deze kracht hangt gevoelig af van de afstand ertussen.

"We variëren de afstand tussen de punt en het oppervlak en meten hoe dit de kracht verandert, " legt Margareta Wagner uit. "Dit geeft ons een karakteristieke krachtcurve voor elke OH-groep op het oppervlak van een materiaal." De vorm van deze krachtcurve geeft informatie over hoe goed de respectieve zuurstofatomen op het indiumoxide-oppervlak hun protonen vasthouden - of hoe gemakkelijk ze ze zullen loslaten.

Om een ​​werkelijke waarde voor de protonaffiniteit te verkrijgen, theoretisch werk nodig was. Dit werd uitgevoerd door Bernd Meyer aan de Friedrich-Alexander-Universiteit Erlangen-Nürnberg, Duitsland. In uitgebreide computersimulaties was het mogelijk om te laten zien hoe de krachtcurve van de atomaire krachtmicroscoop op een eenvoudige en nauwkeurige manier kan worden vertaald naar die grootheden die nodig zijn in de chemie.

Nanostructuur bepaalt de kwaliteit van katalysatoren

"Dit is vrij cruciaal voor de verdere ontwikkeling van katalysatoren, "zegt Bernd Meyer. "We weten dat atomen van hetzelfde type zich heel anders gedragen, afhankelijk van hun atomaire buren en de manier waarop ze in het oppervlak zijn opgenomen." het kan een groot verschil maken of het oppervlak perfect glad is of stappen op atomaire schaal heeft. Atomen met een kleiner aantal buren zitten aan zulke trederanden, en ze kunnen mogelijk chemische reacties aanzienlijk verbeteren of verergeren.

"Met onze gefunctionaliseerde scanning force microscooppunt, kunnen we dergelijke vragen nu voor het eerst precies onderzoeken, ", zegt Ulrike Diebold. "Dit betekent dat we niet langer hoeven te vertrouwen op vallen en opstaan, maar kan de chemische eigenschappen van oppervlakken precies begrijpen en verbeteren."