Zuurstof is zeer reactief. Het hoopt zich op op vele oppervlakken en bepaalt hun chemisch gedrag. Aan de Technische Universiteit van Wenen, wetenschappers bestuderen de interactie tussen zuurstof- en metaaloxide-oppervlakken, die een belangrijke rol spelen in veel technische toepassingen, van chemische sensoren en katalysatoren tot elektronica.

Echter, het is buitengewoon moeilijk om zuurstofmoleculen op het metaaloxide-oppervlak te bestuderen zonder ze te veranderen. Aan de TU Wenen, dit is nu bereikt met een speciale truc:een enkel zuurstofatoom wordt bevestigd aan de punt van een atoomkrachtmicroscoop en vervolgens wordt het voorzichtig over het oppervlak geleid. De kracht tussen het oppervlak en het zuurstofatoom wordt gemeten, en een foto wordt gemaakt met een extreem hoge resolutie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Verschillende soorten zuurstof

"In recente jaren, er is nogal wat onderzoek gedaan naar hoe zuurstof zich hecht aan metaaloxide-oppervlakken, " zegt prof. Martin Setvin van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU Wien. "Blijft O2-moleculen intact, of zijn ze opgesplitst in afzonderlijke atomen? Of zou het mogelijk zijn dat zogenaamde tetrazuurstofvormen, een complex van vier atomen? Dergelijke vragen zijn belangrijk om chemische reacties op het metaaloxide-oppervlak te begrijpen."

Helaas, het is niet eenvoudig om een ​​foto van deze atomen te maken. Scanning tunneling microscopen worden vaak gebruikt om oppervlakken atoom voor atoom in beeld te brengen. Een fijne punt wordt op zeer korte afstand over het monster gehaald, zodat individuele elektronen tussen het monster en de punt kunnen passeren. De kleine elektrische stroom die het gevolg is, wordt gemeten. Echter, deze methode kan niet worden gebruikt voor zuurstofmoleculen - ze zouden elektrisch geladen worden en hun gedrag volledig veranderen.

De Weense wetenschappers gebruikten in plaats daarvan een atoomkrachtmicroscoop. Hier ook, een dunne punt wordt over het oppervlak bewogen. In dit geval, er loopt geen stroom, maar de kracht die tussen de punt en het oppervlak werkt, wordt gemeten. Een speciale truc was beslissend - de functionalisering van de punt:"Een enkel zuurstofatoom wordt eerst opgevangen door de punt van de atoomkrachtmicroscoop en vervolgens over het oppervlak verplaatst, " legt Igor Sokolovic uit. Het zuurstofatoom dient dus als een zeer gevoelige sonde om het oppervlak punt voor punt te onderzoeken.

Omdat er geen stroom vloeit en het zuurstofatoom nooit volledig in contact komt met het oppervlak, deze methode is extreem zacht en verandert de atomen op het metaaloxide-oppervlak niet. Op deze manier, de geometrie van de zuurstofafzettingen op het metaaloxide kan in detail worden onderzocht.

Een veelzijdige methode

"Deze functionalisering van de tip door er een heel specifiek atoom op te plaatsen, is de afgelopen jaren ontwikkeld, en we laten nu voor het eerst zien dat het kan worden toegepast op metaaloxide-oppervlakken, ' zegt Setvin.

Het blijkt dat de zuurstofmoleculen op verschillende manieren aan het metaaloxide kunnen worden gehecht - hetzij op de titaniumatomen aan het oppervlak of op bepaalde posities, waar een zuurstofatoom ontbreekt. Afhankelijk van de temperatuur, de zuurstofmoleculen kunnen zich dan splitsen in twee individuele zuurstofatomen. Echter, geen tetraoxygen - een hypothetisch complex van vier zuurstofatomen - werd gevonden.

"De titaniumoxide-oppervlakken die we op deze manier onderzoeken, zijn een prototype om deze methode te testen, " legt Martin Setvin uit. "Maar de inzichten die we uit onze experimenten krijgen, gelden ook voor veel andere materialen." Microscopie met een gefunctionaliseerde punt in een atoomkrachtmicroscoop is een veelzijdige methode om een ​​oppervlaktestructuur af te beelden met atomaire resolutie zonder vernietiging en zonder elektronische verandering.