¿Qué sucede cuando un gato se sube a un girasol? El girasol es inestable, se doblará rápidamente y el gato caerá al suelo. Sin embargo, si el gato solo necesita un impulso rápido para atrapar un pájaro desde allí, entonces el girasol puede actuar como un "paso intermedio metaestable". Este es esencialmente el mecanismo por el cual los átomos individuales de un catalizador capturan moléculas para transformarlas químicamente.

Hace varios años, el grupo de física de superficies de la Universidad Tecnológica de Viena descubrió que los catalizadores de "un solo átomo" de platino podían oxidar el monóxido de carbono a temperaturas que, según sus modelos teóricos, no deberían haber sido posibles. Ahora, con la ayuda de imágenes de microscopio a escala atómica y simulaciones informáticas complejas, han podido demostrar que tanto el catalizador en sí como el material en el que está anclado asumen estados "metaestables" energéticamente desfavorables durante un corto tiempo para permitir la reacción. suceder de una manera especial. Los resultados han sido publicados en la revista Science Advances .

Átomos individuales como catalizadores

El grupo de investigación del Prof. Gareth Parkinson en el Instituto de Física Aplicada de la TU Wien está investigando los catalizadores más pequeños posibles:los átomos de platino individuales se colocan sobre una superficie de óxido de hierro. Luego entran en contacto con el gas monóxido de carbono y se convierten en dióxido de carbono, como sucede en el escape de un automóvil moderno.

"Este proceso es técnicamente muy importante, pero hasta ahora no estaba claro qué sucede exactamente cuando el tamaño del catalizador se reduce al límite de un solo átomo", dice Gareth Parkinson. "En nuestro grupo de investigación, estudiamos estos procesos de varias maneras:por un lado, usamos un microscopio de túnel de barrido para producir imágenes de resolución extremadamente alta en las que se puede estudiar el movimiento de átomos individuales. Y por otro lado , analizamos el proceso de reacción con espectroscopia y simulaciones por computadora".

Que los átomos de platino sean activos como catalizador depende de la temperatura. En el experimento, el catalizador se calienta lenta y uniformemente hasta alcanzar la temperatura crítica y el monóxido de carbono se convierte en dióxido de carbono. Ese umbral es de unos 550 Kelvin. "Sin embargo, esto no se ajustaba a nuestras simulaciones por computadora originales", dice Matthias Meier, primer autor de la publicación actual. "De acuerdo con la teoría funcional de la densidad, que normalmente se usa para tales cálculos, el proceso solo podría tener lugar a 800 Kelvin. Así que sabíamos:algo importante se había pasado por alto aquí hasta ahora".

Un estado metaestable:efímero, pero importante

Durante varios años, el equipo reunió una amplia experiencia con los mismos materiales en otras reacciones y, como resultado, surgió una nueva imagen paso a paso. "Con la teoría funcional de la densidad, normalmente se calcula el estado del sistema que tiene la energía más baja", dice Matthias Meier. "Eso tiene sentido, porque ese es el estado que asume el sistema con mayor frecuencia. Pero en nuestro caso, hay un segundo estado que juega un papel central:el llamado estado metaestable".

Tanto los átomos de platino como la superficie de óxido de hierro pueden alternar entre diferentes estados físicos cuánticos. El estado fundamental, con la energía más baja, es estable. Cuando el sistema cambia al estado metaestable, inevitablemente regresa al estado fundamental después de un corto tiempo, como el gato que intenta llegar a la cima de un poste de escalada inestable. Pero en la conversión catalítica del monóxido de carbono, es suficiente que el sistema esté en el estado metaestable por un tiempo muy corto:así como un breve momento en un estado de escalada tambaleante podría ser suficiente para que el gato atrape un pájaro con su pata. , el catalizador puede convertir el monóxido de carbono en el estado metaestable.

Cuando se introduce por primera vez el monóxido de carbono, dos átomos de platino se unen para formar un dímero. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, el dímero puede moverse a una posición menos favorable donde los átomos de oxígeno de la superficie están menos unidos. En el estado metaestable, el óxido de hierro cambia su estructura atómica precisamente en este punto, liberando el átomo de oxígeno que necesita el óxido de carbono para formar dióxido de carbono, que se va volando instantáneamente, completando el proceso de catálisis. "Si incluimos estos estados a corto plazo previamente no contabilizados en nuestra simulación por computadora, obtenemos exactamente el resultado que también se midió en el experimento", dice Matthias Meier.

"El resultado de nuestra investigación muestra que en la física de superficies a menudo se necesita mucha experiencia", dice Gareth Parkinson. "Si no hubiéramos estudiado procesos químicos muy diferentes a lo largo de los años, probablemente nunca hubiéramos resuelto este rompecabezas". Recientemente, la inteligencia artificial también se ha utilizado con gran éxito para analizar procesos químicos cuánticos, pero en este caso, Parkinson está convencido de que probablemente no habría tenido éxito. Para encontrar soluciones creativas fuera de lo que antes se creía posible, probablemente necesite humanos después de todo. + Explora más

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