Imagens espetaculares do microscópio eletrônico na TU Wien levam a descobertas importantes:As reações químicas podem produzir ondas multifrequenciais semelhantes a espirais e, assim, fornecer informações locais sobre os catalisadores.

Eles parecem quase hipnóticos, como uma lâmpada de lava. As ondas tornadas visíveis na TU Wien usando um microscópio eletrônico de fotoemissão cobrem a superfície da folha de ródio com padrões bizarros que dançam na superfície.

As ondas são conhecidas em muitas formas diferentes; como ondas de água, ondas de luz ou ondas sonoras. Mas aqui estamos lidando com algo bem diferente - ondas químicas. Uma reação química ocorre na superfície de um cristal, mas isso não avança em apenas uma direção:em vez disso, ele retorna periodicamente ao seu estado original. Dependendo da fase desta reação de progressão cíclica, a superfície do cristal de ródio parece brilhante ou escura sob o microscópio eletrônico de fotoemissão. Isso cria um padrão de onda em movimento. A grande conquista foi observar esse efeito simultaneamente em diferentes grãos microscopicamente pequenos de um catalisador policristalino. Estruturas espirais fascinantes se formam lá, cujo movimento nos permite coletar informações sobre as características de cada grão de cristal.

Coelhos, raposas e cristais

Tipicamente, imagina-se uma reação química como esta:a partir de reagentes iniciais específicos, obtém-se produtos finais específicos. Mas não precisa ser tão simples assim. Podem ocorrer oscilações autossustentáveis, ou seja, mudanças periódicas entre dois estados diferentes, "explica o professor Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. Isso é conhecido por diferentes disciplinas científicas, como modelos de caça-presa. Quando as raposas comem coelhos a ponto de quase não sobrarem coelhos, as raposas morrem de fome e seu número cai, e como resultado, a população de coelhos se recupera. Padrões semelhantes ocorrem nos preços dos imóveis; ou mesmo em reações químicas.

A equipe da TU Wien está estudando a oxidação do hidrogênio, a base de qualquer célula de combustível. Esses estudos envolvem a exposição de superfícies de ródio a uma atmosfera de oxigênio e hidrogênio. Inicialmente, as moléculas de oxigênio (O2) são adsorvidas na superfície, onde se dissociam em átomos de oxigênio. Os átomos de oxigênio individuais podem então se difundir no cristal e formar uma fina camada de oxigênio abaixo da camada externa de ródio. Contudo, isso reduz a capacidade da superfície de reter oxigênio. Cada vez mais, hidrogênio é ligado em vez disso, que então reage para formar água com o oxigênio previamente adsorvido. A água sai da superfície novamente, em algum ponto, o número de átomos de oxigênio voltou ao nível inicial baixo, e todo o processo começa novamente desde o início.

Ângulos diferentes, frequência diferente

"Essas reações oscilantes já haviam sido estudadas pelo vencedor do Prêmio Nobel Gerhard Ertl, "explica o professor Yuri Suchorski, o primeiro autor do artigo, quem, como o professor Rupprechter, trabalhou no Instituto de Berlim do professor Ertl antes de se mudar para a TU Wien. "Mas agora demos mais um importante passo:conseguimos atingir um estado de numerosas oscilações de diferentes frequências acontecendo simultaneamente em diferentes grãos da superfície policristalina." Esses diferentes grãos exibem redes cristalinas que são orientadas em diferentes ângulos em relação à superfície.

Esses ângulos desempenham um papel crucial:o arranjo geométrico dos átomos na superfície de um cristal depende da direção em que ele é cortado. Isso também determina a frequência com que a reação química sofre oscilações cíclicas.

Em uma superfície policristalina, existem então diferentes regiões nas quais o processo cíclico ocorre em diferentes frequências. É precisamente esse efeito que cria esses padrões de onda fascinantes. Quando uma onda química se move pela superfície e passa da borda de um grão de cristal para outro, acelera ou desacelera, semelhante à luz que passa do ar para a água. Isso muda as complexas estruturas de ondas espirais de acordo com a orientação particular da superfície do grão. "Podemos aprender muito sobre o material dessas estruturas, "diz Günther Rupprechter." Num relance, podemos detectar quais regiões de nossa superfície têm características catalíticas superiores. "

A caminho da futura energia de hidrogênio

É necessário aprender mais sobre a oxidação catalítica do hidrogênio. “Para células de combustível, as fontes de energia móveis do futuro, cujo único gás de exaustão consiste em água pura, precisamos de novos materiais que ajudem a queimar hidrogênio cataliticamente. Mas como antes, esses processos ainda não são totalmente compreendidos ", diz o professor Yuri Suchorski." Ainda há muitas questões em aberto aqui, e agora temos um novo, maneira muito elegante de investigá-los melhor. "