O que acontece quando um gato sobe em um girassol? O girassol é instável, dobra-se rapidamente e o gato cai no chão. No entanto, se o gato precisa apenas de um impulso rápido para pegar um pássaro de lá, o girassol pode atuar como um "passo intermediário metaestável". Esse é essencialmente o mecanismo pelo qual átomos individuais de um catalisador capturam moléculas para transformá-las quimicamente.
Vários anos atrás, o grupo de física de superfície da Universidade de Tecnologia de Viena descobriu que os catalisadores de "átomo único" de platina poderiam oxidar o monóxido de carbono a temperaturas que, de acordo com seus modelos teóricos, não deveriam ser possíveis. Agora, com a ajuda de imagens de microscópio em escala atômica e simulações de computador complexas, eles conseguiram mostrar que tanto o próprio catalisador quanto o material no qual ele está ancorado assumem estados "metaestáveis" energeticamente desfavoráveis ​​por um curto período de tempo para permitir a reação. acontecer de uma forma especial. Os resultados foram publicados na revista Science Advances .

Átomos únicos como catalisadores

O grupo de pesquisa do Prof. Gareth Parkinson no Instituto de Física Aplicada da TU Wien está investigando os menores catalisadores possíveis:átomos de platina individuais são colocados em uma superfície de óxido de ferro. Eles então entram em contato com o gás monóxido de carbono e se convertem em dióxido de carbono, como acontece em um escapamento de carro moderno.

"Esse processo é tecnicamente muito importante, mas exatamente o que acontece quando o catalisador é reduzido em tamanho para o limite de um único átomo não estava claro até agora", diz Gareth Parkinson. "Em nosso grupo de pesquisa, estudamos esses processos de várias maneiras:por um lado, usamos um microscópio de tunelamento de varredura para produzir imagens de altíssima resolução nas quais você pode estudar o movimento de átomos individuais. E, por outro lado, , analisamos o processo de reação com espectroscopia e simulações de computador."

Se os átomos de platina são ativos como um catalisador depende da temperatura. No experimento, o catalisador é aquecido lenta e uniformemente até que a temperatura crítica seja atingida, e o monóxido de carbono é convertido em dióxido de carbono. Esse limite é de cerca de 550 Kelvin. "No entanto, isso não se encaixava em nossas simulações de computador originais", diz Matthias Meier, primeiro autor da publicação atual. "De acordo com a teoria do funcional da densidade, que normalmente é usada para esses cálculos, o processo só poderia ocorrer a 800 Kelvin. Então sabíamos:algo importante havia sido negligenciado aqui até agora."

Um estado metaestável:de curta duração, mas importante

Por vários anos, a equipe acumulou vasta experiência com os mesmos materiais em outras reações e, como resultado, uma nova imagem surgiu passo a passo. "Com a teoria do funcional da densidade, você normalmente calcula o estado do sistema que tem a energia mais baixa", diz Matthias Meier. "Isso faz sentido, porque esse é o estado que o sistema assume com mais frequência. Mas, no nosso caso, há um segundo estado que desempenha um papel central:o chamado estado metaestável".

Tanto os átomos de platina quanto a superfície do óxido de ferro podem alternar entre diferentes estados físicos quânticos. O estado fundamental, com a energia mais baixa, é estável. Quando o sistema muda para o estado metaestável, ele inevitavelmente retorna ao estado fundamental após um curto período de tempo – como o gato tentando chegar ao topo de um poste instável. Mas na conversão catalítica do monóxido de carbono, basta que o sistema fique no estado metaestável por um tempo muito curto:assim como um breve momento em um estado de escalada vacilante pode ser suficiente para o gato pegar um pássaro com a pata , o catalisador pode converter monóxido de carbono no estado metaestável.

Quando o monóxido de carbono é introduzido pela primeira vez, dois átomos de platina se unem para formar um dímero. Quando a temperatura é alta o suficiente, o dímero pode se mover para uma posição menos favorável, onde os átomos de oxigênio da superfície são menos fracamente ligados. No estado metaestável, o óxido de ferro muda sua estrutura atômica precisamente neste ponto, liberando o átomo de oxigênio que o óxido de carbono precisa para formar dióxido de carbono, que instantaneamente voa para longe – completando o processo de catálise. "Se incluirmos esses estados de curto prazo anteriormente não contabilizados em nossa simulação de computador, obteremos exatamente o resultado que também foi medido no experimento", diz Matthias Meier.

"Nosso resultado de pesquisa mostra que, em física de superfície, muitas vezes você precisa de muita experiência", diz Gareth Parkinson. "Se não tivéssemos estudado processos químicos muito diferentes ao longo dos anos, provavelmente nunca teríamos resolvido esse quebra-cabeça." Recentemente, a inteligência artificial também tem sido usada com grande sucesso para analisar processos químicos quânticos – mas, neste caso, Parkinson está convencido de que provavelmente não teria sido bem-sucedido. Para encontrar soluções criativas fora do que se pensava ser possível, você provavelmente precisa de humanos, afinal. + Explorar mais

Átomos únicos como catalisadores