Espectaculares imágenes de microscopio electrónico en TU Wien conducen a hallazgos importantes:las reacciones químicas pueden producir ondas multifrecuencia en forma de espiral y, por lo tanto, proporcionar información local sobre los catalizadores.

Parecen casi hipnóticos como una lámpara de lava. Las ondas visibles en TU Wien utilizando un microscopio electrónico de fotoemisión cubren la superficie de la lámina de rodio con patrones extraños que bailan en la superficie.

Las ondas se conocen de muchas formas muy diferentes; como ondas de agua, ondas de luz u ondas de sonido. Pero aquí estamos tratando con algo bastante diferente:ondas químicas. Se produce una reacción química en la superficie de un cristal, pero esto no avanza en una sola dirección:en cambio, vuelve periódicamente a su estado original. Dependiendo de la fase de esta reacción cíclicamente progresiva, la superficie del cristal de rodio aparece brillante u oscura bajo el microscopio electrónico de fotoemisión. Esto crea un patrón de onda en movimiento. El gran logro fue observar este efecto simultáneamente en diferentes granos microscópicamente pequeños de un catalizador policristalino. Allí se forman fascinantes estructuras en espiral, cuyo movimiento nos permite recopilar información sobre las características de los granos individuales de cristal.

Conejos zorros y cristales

Típicamente, uno imagina una reacción química como esta:a partir de reactivos iniciales específicos se obtienen productos finales específicos. Pero no tiene por qué ser tan simple como eso. Pueden producirse oscilaciones autosostenidas, es decir, cambios periódicos entre dos estados diferentes, "explica el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales en TU Wien. Esto se conoce desde disciplinas científicas muy diferentes, como los modelos de cazador-presa. Cuando los zorros comen conejos hasta el punto de que apenas quedan conejos, los zorros mueren de hambre y su número disminuye, y como resultado la población de conejos se recupera. Se producen patrones similares en los precios de las propiedades; o incluso en reacciones químicas.

El equipo de TU Wien está estudiando la oxidación del hidrógeno, la base de cualquier pila de combustible. Estos estudios implican exponer superficies de rodio a una atmósfera de oxígeno e hidrógeno. Inicialmente, las moléculas de oxígeno (O2) se adsorben en la superficie donde se disocian en átomos de oxígeno. Los átomos de oxígeno individuales pueden luego difundirse en el cristal y formar una capa delgada de oxígeno debajo de la capa exterior de rodio. Sin embargo, esto reduce la capacidad de la superficie para unirse al oxígeno. Cada vez más, el hidrógeno está unido en su lugar, que luego reacciona para formar agua con el oxígeno previamente adsorbido. El agua vuelve a salir de la superficie, en algún momento, el número de átomos de oxígeno ha vuelto al nivel inicial bajo, y todo el proceso comienza de nuevo desde el principio.

Diferentes ángulos, diferente frecuencia

"Estas reacciones oscilantes ya habían sido estudiadas por el premio Nobel Gerhard Ertl, "explica el profesor Yuri Suchorski, el primer autor del artículo, OMS, como el profesor Rupprechter, Trabajó en el Instituto de Berlín del profesor Ertl antes de mudarse a TU Wien. "Pero ahora hemos dado un paso más importante:hemos logrado alcanzar un estado de numerosas oscilaciones de diferentes frecuencias que ocurren simultáneamente en diferentes granos de la superficie policristalina". Estos diferentes granos exhiben redes cristalinas que están orientadas en diferentes ángulos con respecto a la superficie.

Estos ángulos juegan un papel crucial:la disposición geométrica de los átomos en la superficie de un cristal depende de la dirección en la que se corta. Esto también determina la frecuencia con la que la reacción química sufre oscilaciones cíclicas.

Sobre una superficie policristalina, Luego hay diferentes regiones en las que el proceso cíclico ocurre a diferentes frecuencias. Es precisamente este efecto el que crea esos fascinantes patrones de ondas. Cuando una onda química se mueve a través de la superficie y pasa del borde de un grano de cristal a otro, acelera o desacelera, similar a la luz que pasa del aire al agua. Esto cambia las complejas estructuras de ondas espirales de acuerdo con la orientación particular de la superficie del grano. "Entonces podemos aprender mucho sobre el material de estas estructuras, ", dice Günther Rupprechter." De un vistazo podemos detectar qué regiones de nuestra superficie tienen características catalíticas superiores ".

En el camino hacia la futura energía del hidrógeno

Es necesario aprender más sobre la oxidación catalítica del hidrógeno. "Para las pilas de combustible, las fuentes de energía móviles del futuro cuyo único gas de escape sea agua pura, necesitamos nuevos materiales que ayuden a quemar el hidrógeno catalíticamente. Pero como antes, estos procesos aún no se comprenden completamente ", dice el profesor Yuri Suchorski." Todavía hay muchas preguntas abiertas aquí, y ahora tenemos una nueva, una forma muy elegante de investigarlos más a fondo ".