El uso de agentes catalíticos eficientes es lo que hace que muchos procedimientos técnicos sean factibles en primer lugar. En efecto, La síntesis de más del 80 por ciento de los productos generados en la industria química requiere el aporte de catalizadores específicos. La mayoría de estos son catalizadores de estado sólido, y las reacciones que posibilitan tienen lugar entre moléculas que se adsorben en sus superficies.

Las propiedades específicas del catalizador permiten que las moléculas de partida interactúen y aceleren la reacción entre ellas, sin consumir ni alterar el catalizador en sí. Sin embargo, la catálisis eficiente también requiere una mezcla eficiente, por tanto, los reactivos deben poder difundirse lateralmente sobre la superficie del catalizador para maximizar la posibilidad de experimentar la reacción deseada. En las condiciones empleadas en los procesos industriales, sin embargo, la superficie del catalizador está generalmente tan densamente empaquetada con partículas adsorbidas que no está claro cómo las moléculas podrían difundirse efectivamente. Los investigadores dirigidos por el profesor Joost Wintterlin en el Departamento de Química de Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) ahora han demostrado que, aunque los reactivos pasan tiempo virtualmente atrapados en la superficie del catalizador, Las fluctuaciones locales en la ocupación brindan con frecuencia oportunidades para cambiar de posición. Los nuevos hallazgos aparecen en la revista líder Ciencias .

Para obtener información sobre los procesos moleculares que tienen lugar en un catalizador de estado sólido, Wintterlin y sus colegas utilizaron microscopía de túnel de barrido (STM) para monitorear la movilidad de átomos de oxígeno individuales en un catalizador de rutenio (Ru) que estaba densamente empaquetado con moléculas de monóxido de carbono (CO) adsorbidas. "Elegimos este sistema porque la oxidación de CO a CO2 en metales que pertenecen al grupo del platino es un modelo bien estudiado para la catálisis de estado sólido en general, "Explica Wintterlin. Sin embargo, La microscopía de túnel de barrido convencional no habría podido capturar la dinámica de la superficie de este sistema de reacción. Pero el equipo logró mejorar la tasa de adquisición de datos, finalmente alcanzando velocidades de hasta 50 imágenes por segundo, lo suficientemente altas como para hacer videos de la dinámica de las partículas en el catalizador.

Las imágenes STM revelaron que los átomos de oxígeno están completamente rodeados por jaulas triangulares formadas por moléculas de CO adsorbidas en la superficie del catalizador de Ru. El análisis de los videos mostró que los átomos de oxígeno individuales solo pueden saltar entre tres posiciones formadas por los intersticios de los átomos de Ru. "Pero, para nuestra sorpresa, También observamos que un átomo puede escapar de su jaula, y de repente comienza a difundirse a través de la matriz de monóxido de carbono a una velocidad casi tan alta como si estuviera en una superficie completamente vacía, "dice Ann-Kathrin Henß, primer autor del trabajo de investigación. En colaboración con el profesor Axel Groß del Instituto de Química Teórica de la Universidad de Ulm, los investigadores de Munich pudieron vincular este fenómeno con fluctuaciones en la densidad local del CO en la superficie, que dan lugar a regiones en las que las moléculas están empaquetadas más o menos juntas. Cuando ocurre tal fluctuación en las proximidades de un átomo de oxígeno, este último puede escapar de su jaula, y hacer su camino a una nueva posición. De hecho, este "mecanismo de apertura de la puerta" abre vías de difusión tan rápidamente que el movimiento de los átomos de oxígeno a través de la matriz no se ve obstaculizado significativamente. Esto explica por qué casi siempre pueden encontrar un nuevo socio de unión para la reacción facilitada por el catalizador.