O grau de acidez ou alcalinidade de uma substância é crucial para seu comportamento químico. O fator decisivo é a chamada afinidade de prótons, que indica a facilidade com que uma entidade aceita ou libera um único próton. Embora seja fácil medir isso para moléculas, não foi possível para superfícies. Isso é importante porque os átomos nas superfícies têm afinidades de prótons muito diferentes, dependendo de onde eles se sentam. Pesquisadores da TU Wien agora conseguiram tornar esta importante quantidade física experimentalmente acessível pela primeira vez:usando um microscópio de força atômica especialmente modificado, é possível estudar a afinidade de prótons de átomos individuais. Isso deve ajudar a analisar catalisadores em escala atômica. Os resultados foram publicados na revista científica Natureza .

Precisão em vez da média

"Todas as medições anteriores de acidez superficial tiveram uma desvantagem severa, "diz a Prof. Ulrike Diebold do Instituto de Física Aplicada da TU Wien." Embora os átomos da superfície se comportem quimicamente de forma diferente, só se podia medir o valor médio. "

Assim, não se sabe quais átomos contribuíram para as reações químicas, e em que medida, o que torna impossível ajustar a escala atômica da superfície para favorecer certas reações químicas. Mas isso é exatamente o que é necessário, por exemplo, ao procurar catalisadores mais eficazes para a produção de hidrogênio.

"Analisamos superfícies feitas de óxido de índio. Eles são particularmente interessantes porque existem cinco tipos diferentes de grupos OH com propriedades diferentes na superfície, "diz Margareta Wagner, que realizou essas medições no laboratório do Prof Diebold.

Com um truque especial, foi possível estudar esses grupos OH individualmente:os pesquisadores colocaram um único grupo OH na ponta de um microscópio de força atômica. Esta ponta foi então posicionada especificamente sobre um átomo particular na superfície. Uma força, então, atua entre o grupo OH na ponta e o grupo OH diretamente abaixo dele na superfície do óxido de índio, e essa força depende sensivelmente da distância entre eles.

"Variamos a distância entre a ponta e a superfície e medimos como isso muda a força, "explica Margareta Wagner." Isso nos dá uma curva de força característica para cada grupo OH na superfície de um material. "A forma desta curva de força fornece informações sobre como os respectivos átomos de oxigênio na superfície do óxido de índio mantêm seus prótons - ou com que facilidade eles os libertarão.

A fim de obter um valor real para a afinidade do próton, era necessário trabalho teórico. Isso foi realizado por Bernd Meyer na Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg, Alemanha. Em elaboradas simulações de computador foi possível mostrar como a curva de força do microscópio de força atômica pode ser traduzida de uma forma simples e precisa nas quantidades que são necessárias na química.

A nanoestrutura determina a qualidade dos catalisadores

"Isso é crucial para o desenvolvimento de catalisadores, "diz Bernd Meyer." Sabemos que átomos do mesmo tipo se comportam de maneira bastante diferente dependendo de seus vizinhos atômicos e da maneira como são incorporados à superfície. "Por exemplo, pode fazer uma grande diferença se a superfície é perfeitamente lisa ou tem degraus em escala atômica. Os átomos com um número menor de vizinhos ficam nas bordas das etapas, e podem melhorar ou piorar potencialmente as reações químicas.

"Com nossa ponta de microscópio de força de varredura funcionalizada, podemos agora investigar precisamente essas questões pela primeira vez, "diz Ulrike Diebold." Isso significa que não precisamos mais depender de tentativa e erro, mas pode compreender e melhorar com precisão as propriedades químicas das superfícies. "