El grado de acidez o alcalinidad de una sustancia es crucial para su comportamiento químico. El factor decisivo es la llamada afinidad protónica, que indica la facilidad con la que una entidad acepta o libera un solo protón. Si bien es fácil medir esto para moléculas, no ha sido posible para las superficies. Esto es importante porque los átomos en las superficies tienen afinidades protónicas muy diferentes, dependiendo de dónde se sientan. Los investigadores de TU Wien ahora han logrado hacer que esta importante cantidad física sea accesible experimentalmente por primera vez:utilizando un microscopio de fuerza atómica especialmente modificado, es posible estudiar la afinidad protónica de átomos individuales. Esto debería ayudar a analizar los catalizadores a escala atómica. Los resultados han sido publicados en la revista científica Naturaleza .

Precisión en lugar de media

"Todas las mediciones anteriores de la acidez superficial tenían un grave inconveniente, "dice la profesora Ulrike Diebold del Instituto de Física Aplicada de TU Wien." Aunque los átomos de la superficie se comportan químicamente de manera diferente, sólo se puede medir el valor medio ".

Por tanto, no se sabe qué átomos contribuyeron a las reacciones químicas, y en que medida lo que imposibilita ajustar la escala atómica de la superficie para favorecer determinadas reacciones químicas. Pero eso es exactamente lo que se necesita, por ejemplo, cuando se buscan catalizadores más efectivos para la producción de hidrógeno.

"Analizamos superficies hechas de óxido de indio. Son particularmente interesantes porque hay cinco tipos diferentes de grupos OH con diferentes propiedades en la superficie, "dice Margareta Wagner, quien llevó a cabo estas mediciones en el laboratorio del Prof. Diebold.

Con un truco especial fue posible estudiar estos grupos OH individualmente:los investigadores colocaron un solo grupo OH en la punta de un microscopio de fuerza atómica. Luego, esta punta se colocó específicamente sobre un átomo en particular en la superficie. Entonces, una fuerza actúa entre el grupo OH en la punta y el grupo OH directamente debajo de él en la superficie del óxido de indio, y esta fuerza depende sensiblemente de la distancia entre ellos.

"Variamos la distancia entre la punta y la superficie y medimos cómo esto cambia la fuerza, ", explica Margareta Wagner." Esto nos da una curva de fuerza característica para cada grupo OH en la superficie de un material ". La forma de esta curva de fuerza proporciona información sobre qué tan bien los respectivos átomos de oxígeno en la superficie del óxido de indio retienen sus protones, o con qué facilidad los soltarán.

Para obtener un valor real de la afinidad del protón, era necesario un trabajo teórico. Esto fue realizado por Bernd Meyer en la Universidad Friedrich-Alexander-Erlangen-Nürnberg, Alemania. En elaboradas simulaciones por computadora fue posible mostrar cómo la curva de fuerza del microscopio de fuerza atómica puede traducirse de una manera simple y precisa en aquellas cantidades que se necesitan en química.

La nanoestructura determina la calidad de los catalizadores.

"Esto es bastante crucial para el desarrollo posterior de catalizadores, ", dice Bernd Meyer." Sabemos que los átomos del mismo tipo se comportan de manera bastante diferente según sus vecinos atómicos y la forma en que se incorporan a la superficie ". Por ejemplo, puede marcar una gran diferencia si la superficie es perfectamente lisa o tiene escalones a escala atómica. Los átomos con un número menor de vecinos se sientan en tales bordes escalonados, y potencialmente pueden mejorar o empeorar significativamente las reacciones químicas.

"Con nuestra punta de microscopio de fuerza de escaneo funcionalizada, ahora podemos investigar con precisión tales preguntas por primera vez, "dice Ulrike Diebold." Esto significa que ya no tenemos que depender de prueba y error, pero puede comprender y mejorar con precisión las propiedades químicas de las superficies ".