El carámbano ultralimpio (izquierda) y la gota, después de derretir. Crédito:TU Wien
En naturaleza, no existe una superficie verdaderamente limpia. El contacto con el aire normal es suficiente para cubrir cualquier material con una fina capa de moléculas. Esta "suciedad molecular" puede cambiar considerablemente las propiedades del material, sin embargo, las moléculas en sí mismas son difíciles de estudiar. Algunos han especulado que esta "suciedad" es simplemente una capa única de moléculas de agua. Para probar esta idea, Se ha desarrollado un nuevo método de investigación en TU Wien:creando hielo ultrapuro en una cámara de vacío y luego fundiéndolo, los investigadores podrían crear las gotas de agua más limpias del mundo, que luego se aplicaron a superficies de dióxido de titanio.
Con este método, Los investigadores han demostrado que la "suciedad" que cambia las propiedades de las superficies de dióxido de titanio es una capa de dos ácidos orgánicos de una sola molécula de espesor:el ácido acético (que agria el vinagre) y su pariente cercano, ácido fórmico. Esto es sorprendente porque en el aire solo se encuentran vestigios diminutos de estos ácidos. Estos resultados y los detalles del nuevo método se publicaron recientemente en la revista Ciencias .
Estructuras inexplicables
Dióxido de titanio (TiO 2 ) es un mineral abundante que juega un papel importante en una amplia gama de aplicaciones técnicas, incluidas las superficies autolimpiables. Por ejemplo, una fina capa de dióxido de titanio evita que los espejos se empañen con el aire húmedo. Usando microscopios muy potentes, Investigadores de todo el mundo observaron una molécula desconocida que se adhiere a las superficies de dióxido de titanio cuando entran en contacto con el agua.
Se ha propuesto la idea de que estas moléculas eran un nuevo tipo de hielo de agua o tal vez agua de soda formada a partir del dióxido de carbono en el aire. La respuesta correcta es mucho más interesante:como descubrió el equipo de investigación, estas estructuras son en realidad dos ácidos orgánicos, ácido acético y ácido fórmico. Estos ácidos son subproductos del crecimiento de las plantas. Sorprendentemente, solo se producen pequeñas trazas de estos ácidos en el aire:unas pocas moléculas de ácido por mil millones de moléculas de aire. Aunque muchas otras moléculas son más comunes en el aire, son estos dos ácidos los que se adhieren a la superficie del óxido metálico y cambian su comportamiento.
Una simulación gráfica de la monocapa de ácido fórmico / ácido acético en la superficie del dióxido de titanio. Titanio, oxígeno, los átomos de carbono e hidrógeno son azules, rojo, en blanco y negro, respectivamente. Crédito:Universidad de Cornell
Agua ultrapura al vacío
"Para evitar impurezas, experimentos como estos deben realizarse en el vacío, "dice Ulrike Diebold." Por lo tanto, tuvimos que crear una gota de agua que nunca entrara en contacto con el aire, luego coloque la gota sobre una superficie de dióxido de titanio que se había limpiado escrupulosamente hasta la escala atómica ". Esta tarea se hizo aún más difícil por el hecho de que las gotas de agua se evaporan extremadamente rápido en el vacío, independientemente de la temperatura.
Los investigadores idearon un nuevo e ingenioso método de investigación. Su solución fue hacer un 'dedo frío' en su vacío. La punta de este dedo de metal se enfría a alrededor de -140 ° C y luego se deja que el vapor de agua ultra puro fluya hacia la cámara. El agua se congela en la punta del dedo frío, produciendo un pequeño, Carámbano ultralimpio. La muestra de dióxido de titanio se coloca debajo del dedo. Cuando el carámbano se derrita, gotas de agua ultrapura sobre la muestra.
Los ácidos orgánicos tienen la culpa
Luego se investigó la superficie utilizando microscopios de alta potencia, pero los científicos no vieron rastros de moléculas desconocidas usando agua ultrapura. Incluso cuando hicieron agua con gas con dióxido de carbono, no se encontró la extraña "capa de suciedad". Esto significa que las moléculas deben provenir de algo que no sea agua o dióxido de carbono.
Solo cuando la muestra entra en contacto con el aire aparecen las moléculas extrañas. Curiosamente, se observaron las mismas moléculas en diferentes partes del mundo:en las zonas urbanas de Viena y en una zona rural de los Estados Unidos. El análisis químico mostró que eran ácidos orgánicos simples producidos típicamente por plantas.
"Este resultado nos muestra lo cuidadosos que debemos ser al realizar experimentos de este tipo, ", dice Ulrike Diebold." Incluso pequeños rastros en el aire, que en realidad podría considerarse insignificante, a veces son decisivas ".
Los resultados del trabajo de investigación se han publicado en la revista Ciencias .
