O uso de agentes catalíticos eficientes é o que torna muitos procedimentos técnicos viáveis ​​em primeiro lugar. De fato, a síntese de mais de 80% dos produtos gerados na indústria química requer a entrada de catalisadores específicos. A maioria destes são catalisadores de estado sólido, e as reações que eles possibilitam ocorrem entre moléculas que se adsorvem em suas superfícies.

As propriedades específicas do catalisador permitem que as moléculas de partida interajam e acelerem a reação entre elas, sem consumir ou alterar o próprio catalisador. Contudo, a catálise eficiente também requer mistura eficiente, portanto, os reagentes devem ser capazes de se difundir lateralmente na superfície do catalisador para maximizar a chance de sofrer a reação desejada. Nas condições empregadas nos processos industriais, Contudo, a superfície do catalisador é geralmente tão densamente empacotada com partículas adsorvidas que não está claro como as moléculas podem se difundir efetivamente. Pesquisadores liderados pelo professor Joost Wintterlin do Departamento de Química da Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) agora mostraram que, embora os reagentes de fato passem tempo virtualmente presos na superfície do catalisador, as flutuações locais na ocupação freqüentemente oferecem oportunidades para mudar de posição. As novas descobertas aparecem no principal jornal Ciência .

A fim de obter informações sobre os processos moleculares que ocorrem em um catalisador de estado sólido, Wintterlin e seus colegas usaram a microscopia de tunelamento de varredura (STM) para monitorar a mobilidade dos átomos de oxigênio individuais em um catalisador de rutênio (Ru) densamente empacotado com moléculas de monóxido de carbono (CO) adsorvidas. "Escolhemos este sistema porque a oxidação de CO em CO2 em metais pertencentes ao grupo da platina é um modelo bem estudado para catálise de estado sólido em geral, "Wintterlin explica. No entanto, a microscopia de tunelamento de varredura convencional não teria sido capaz de capturar a dinâmica da superfície deste sistema de reação. Mas a equipe conseguiu aumentar a taxa de aquisição de dados, finalmente atingindo taxas de até 50 imagens por segundo - altas o suficiente para fazer vídeos da dinâmica das partículas no catalisador.

As imagens STM revelaram que os átomos de oxigênio estão completamente cercados por gaiolas triangulares formadas por moléculas de CO adsorvidas na superfície do catalisador Ru. A análise dos vídeos mostrou que átomos de oxigênio individuais só podem pular entre três posições formadas pelos interstícios dos átomos de Ru. "Mas, para nossa surpresa, também observamos que um átomo pode escapar de sua gaiola, e de repente começa a se difundir através da matriz de monóxido de carbono a uma taxa que é quase tão alta como se estivesse em uma superfície completamente vazia, "diz Ann-Kathrin Henß, primeiro autor do artigo de pesquisa. Em colaboração com o Professor Axel Groß do Instituto de Química Teórica da Universidade de Ulm, os pesquisadores de Munique foram capazes de ligar este fenômeno às flutuações na densidade local do CO na superfície, que dão origem a regiões nas quais as moléculas estão mais ou menos compactadas. Quando essa flutuação ocorre nas proximidades de um átomo de oxigênio, o último pode escapar de sua gaiola, e faça o seu caminho para uma nova posição. Na verdade, este 'mecanismo de abertura de porta' abre caminhos de difusão tão rapidamente que o movimento dos átomos de oxigênio através da matriz não é significativamente impedido. Isso explica por que eles quase sempre podem encontrar um novo parceiro de ligação para a reação facilitada pelo catalisador.