Степень кислотности или щелочности вещества имеет решающее значение для его химического поведения. Решающим фактором является так называемое сродство к протону, которое показывает, насколько легко объект принимает или высвобождает один протон. Хотя это легко измерить для молекул, это невозможно для поверхностей. Это важно, потому что атомы на поверхностях имеют очень разное протонное сродство в зависимости от того, где они находятся. Исследователям из Венского технического университета теперь удалось впервые сделать эту важную физическую величину экспериментально доступной: используя специально модифицированный атомно-силовой микроскоп, можно изучать протонное сродство отдельных атомов. Это должно помочь анализировать катализаторы в атомном масштабе. Результаты опубликованы в научном журнале Nature.

Точность вместо средней

«Все предыдущие измерения кислотности поверхности имели один серьезный недостаток», — говорит профессор Ульрике Диболд из Института прикладной физики в Венском техническом университете. «Хотя поверхностные атомы химически ведут себя по-разному, измерить можно только среднее значение».

Таким образом, неизвестно, какие атомы участвовали в химических реакциях и в какой степени, что делает невозможным регулирование атомного масштаба поверхности в пользу определенных химических реакций. Но это именно то, что нужно, например, при поиске более эффективных катализаторов для производства водорода.

«Мы проанализировали поверхности, сделанные из оксида индия. Они особенно интересны, потому что на поверхности есть пять различных типов групп ОН с разными свойствами», — говорит Маргарета Вагнер, которая проводила эти измерения в лаборатории профессора Диболда.

С помощью специальных действий можно было изучать эти группы ОН по отдельности: исследователи поместили одну группу ОН на кончик атомно-силового микроскопа. Затем этот наконечник помещали специально над одним конкретным атомом на поверхности. Затем между группой ОН на острие и группой ОН непосредственно под ним на поверхности оксида индия действует сила, и эта сила сильно зависит от расстояния между ними.

«Мы меняем расстояние между наконечником и поверхностью и измеряем, как это меняет силу», — объясняет Маргарета Вагнер. «Это дает нам характеристическую кривую силы для каждой группы ОН на поверхности материала». Форма этой силовой кривой дает информацию о том, насколько хорошо соответствующие атомы кислорода на поверхности оксида индия удерживают свои протоны или насколько легко они их высвобождают.

Для получения действительного значения сродства к протону потребовалась теоретическая работа. Это было выполнено Берндом Мейером из Университета Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге, Германия. С помощью детального компьютерного моделирования можно было показать, как силовая кривая атомно-силового микроскопа может быть просто и точно преобразована в те величины, которые необходимы в химии.

Наноструктура определяет качество катализаторов

«Это очень важно для дальнейшей разработки катализаторов», — говорит Бернд Мейер. «Мы знаем, что атомы одного и того же типа ведут себя по-разному в зависимости от их атомных соседей и того, как они встраиваются в поверхность». Например, может иметь большое значение, является ли поверхность идеально гладкой или имеет ступеньки в атомном масштабе. Атомы с меньшим числом соседей располагаются на таких краях ступеней, и они потенциально могут значительно улучшить или ухудшить химические реакции.

«Благодаря нашему функционализированному наконечнику сканирующего силового микроскопа мы впервые можем точно исследовать такие вопросы», — говорит Ульрике Диболд. «Это означает, что нам больше не нужно полагаться на метод проб и ошибок, мы можем точно понять и улучшить химические свойства поверхностей».