Modellering af overfladekemi og forudsigelse af nye materialer

De rødmossede flager af en rusten søm er et sikkert tegn på, at der er opstået en uønsket kemisk reaktion på overfladen. Forstå hvordan molekyler og atomer opfører sig med hinanden, især på overflader, er central for at håndtere begge ønskelige kemiske reaktioner, såsom katalyse, og uønskede reaktioner, som en negles korrosion. Alligevel har området for overfladekemi været udfordret i næsten 100 år for at udvikle forudsigelige teorier for disse reaktioner. Nu er der fremskridt, takket være en ny tilgang.

I en præsentation på det 64. AVS internationale symposium og udstilling i Tampa, Florida, 31. okt.-nov. 2, 2017, Alec M. Wodtke og kolleger fra Max Planck Institute for Biophysical Chemistry i Göttingen, Tyskland, vil præsentere, hvad de kalder en "provisorisk model" for overfladekemi. I deres arbejde beskriver de, hvordan et frugtbart samspil mellem eksperiment og teori kan føre til nøjagtige atomare simuleringer af simple reaktioner på metaloverflader.

Med konkrete eksempler, de viser, at for brintatominteraktioner med metaller - en vigtig tilnærmelse i mange teorier - mislykkes Born-Oppenheimer-tilnærmelsen for brintatominteraktioner med metaller, men er gyldig for interaktioner med grafen. Interessant nok, hydrogeninteraktioner på grafen er stærkt påvirket af valget af metalsubstrat, som grafenen dyrkes på. Dette gør undersøgelsen til et varmt emne på grund af grafens potentiale i forbrugerapplikationer, fra medicinsk udstyr til computere.

I en anden præsentation er denne overfladevidenskabssession, Arthur L. Utz fra Tufts University i Massachusetts og hans kolleger vil beskrive de lovende resultater af et samarbejde med Kroes Group fra Leiden University, Holland, ved hjælp af en ny beregningsmetode til at forudsige reaktiviteten af ​​metanmolekyler, der reagerer på en ren nikkeloverflade.

På trods af betydelige forskelle i energifordelingen, efterfølgende beregninger gav kemisk nøjagtige forudsigelser af reaktivitet for termisk exciterede og vibrationstilstand-selekterede molekyler, og endda til forskellige overfladestrukturer, et fund, der er klar til at fremskynde opdagelsen af ​​materialer.

Holdets tilgang tillader efterforskere at forudsige fraktionen af ​​molekyler, der reagerer på en katalytisk aktiv overflade med meget højere nøjagtighed, end det har været muligt tidligere. Resultaterne af denne forskning kan hjælpe med at fremskynde opdagelsen af ​​nye materialer.