Blidt kærtegnende atomer

Ilt er meget reaktivt. Det akkumuleres på mange overflader og bestemmer deres kemiske adfærd. På det teknologiske universitet i Wien, forskere studerer interaktionen mellem ilt og metaloxidoverflader, som spiller en vigtig rolle i mange tekniske applikationer, fra kemiske sensorer og katalysatorer til elektronik.

Imidlertid, det er ekstremt vanskeligt at studere iltmolekyler på metaloxidoverfladen uden at ændre dem. På TU Wien, dette er nu opnået med et særligt trick:et enkelt iltatom fæstnes til spidsen af ​​et atomkraftmikroskop, og derefter føres det forsigtigt hen over overfladen. Kraften mellem overfladen og iltatomet måles, og et billede er taget med ekstrem høj opløsning. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet PNAS .

Forskellige slags ilt

"I de seneste år, Der er blevet forsket en del i, hvordan ilt binder sig til metaloxidoverflader, " siger prof. Martin Setvin fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien. "Forbliver O2-molekyler intakte, eller er de nedbrudt til enkelte atomer? Eller kunne det være muligt, at der dannes såkaldt tetraoxygen, et kompleks af fire atomer? Sådanne spørgsmål er vigtige for at forstå kemiske reaktioner på metaloxidoverfladen."

Desværre, det er ikke let at tage et billede af disse atomer. Scanning tunneling mikroskoper bruges ofte til at afbilde overflader atom for atom. En fin spids føres hen over prøven på ekstremt kort afstand, så individuelle elektroner kan passere mellem prøven og spidsen. Den lille elektriske strøm, der resulterer, måles. Imidlertid, denne metode kan ikke bruges til iltmolekyler - de ville blive elektrisk ladede og fuldstændig ændre deres adfærd.

Wien-forskerne brugte i stedet et atomkraftmikroskop. Også her, en tynd spids flyttes hen over overfladen. I dette tilfælde, ingen strøm løber, men den kraft, der virker mellem spidsen og overfladen, måles. Et særligt trick var afgørende - funktionaliseringen af ​​spidsen:"Et enkelt oxygenatom fanges først af spidsen af ​​atomkraftmikroskopet og bevæges derefter hen over overfladen, " forklarer Igor Sokolovic. Iltatomet fungerer således som en meget følsom sonde til at undersøge overfladen punkt for punkt.

Da der ikke løber nogen strøm, og iltatomet aldrig kommer i fuld kontakt med overfladen, denne metode er ekstremt skånsom og ændrer ikke atomerne på metaloxidoverfladen. På denne måde geometrien af ​​iltaflejringerne på metaloxidet kan undersøges i detaljer.

En alsidig metode

"Denne funktionalisering af spidsen ved at placere et meget specifikt atom på den er blevet udviklet i de senere år, og vi viser nu for første gang, at det kan påføres metaloxidoverflader, " siger Setvin.

Det viser sig, at iltmolekylerne kan bindes til metaloxidet på forskellige måder - enten på titanium-atomerne ved overfladen eller på bestemte positioner, hvor der mangler et iltatom. Afhængig af temperaturen, iltmolekylerne kan derefter spaltes i to individuelle iltatomer. Imidlertid, intet tetraoxygen - et hypotetisk kompleks af fire oxygenatomer - blev fundet.

"De titaniumoxidoverflader, som vi undersøger på denne måde, er en prototypesag for at afprøve denne metode, " forklarer Martin Setvin. "Men den indsigt, vi får fra vores eksperimenter, gælder også for mange andre materialer." Mikroskopi med en funktionaliseret spids i et atomkraftmikroskop er en alsidig metode til at afbilde en overfladestruktur med atomopløsning uden ødelæggelse og uden elektronisk lave om.