30.04.2021 - Technische Universität Wien

¿Cómo de ácidos son los átomos?

Comprender con precisión y mejorar las propiedades químicas de las superficies

La acidez de las moléculas puede determinarse fácilmente, pero hasta ahora no era posible medir esta importante propiedad en los átomos de una superficie. Con una nueva técnica de microscopía de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien), esto se ha conseguido.

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 que una entidad acepta o libera un solo protón. Aunque es fácil medirla en el caso de las moléculas, no ha sido posible hacerlo en el caso de las superficies. Esto es importante porque los átomos de las superficies tienen afinidades de protones muy diferentes, dependiendo de dónde se encuentren. Los investigadores de la Universidad Técnica de Viena han conseguido que esta importante magnitud física sea accesible experimentalmente por primera vez: Utilizando un microscopio de fuerza atómica especialmente modificado, es posible estudiar la afinidad de protones de los átomos individuales. Esto debería ayudar a analizar los catalizadores a escala atómica.

Precisión en lugar de media

"Todas las mediciones anteriores de la acidez de la superficie tenían un grave inconveniente", afirma la profesora Ulrike Diebold, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. "Aunque los átomos de la superficie se comportan químicamente de forma diferente, sólo se podía medir el valor medio".

Así, no se sabe qué átomos han contribuido a las reacciones químicas y en qué medida, lo que hace imposible 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 eficaces para la producción de hidrógeno.

"Analizamos superficies de óxido de indio. Son especialmente interesantes porque hay cinco tipos diferentes de grupos OH con distintas propiedades en la superficie", explica Margareta Wagner, que realizó estas mediciones en el laboratorio del profesor 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. Esta punta se colocó específicamente sobre un átomo concreto de la superficie. Entonces, una fuerza actúa entre el grupo OH en la punta y el grupo OH directamente debajo de ella en la superficie de 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 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 lo bien que los respectivos átomos de oxígeno de la superficie de óxido de indio retienen sus protones, o lo fácilmente que los liberan.

Para obtener un valor real de la afinidad de los protones, fue necesario un trabajo teórico. De ello se encargó Bernd Meyer, de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (Alemania). En elaboradas simulaciones por ordenador se pudo demostrar cómo la curva de fuerza del microscopio de fuerza atómica puede traducirse de forma sencilla y precisa en las cantidades que se necesitan en química.

La nanoestructura determina la calidad de los catalizadores

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

"Con nuestra punta de microscopio de fuerza de barrido funcionalizada, ahora podemos investigar con precisión estas cuestiones por primera vez", afirma Ulrike Diebold. "Esto significa que ya no tenemos que confiar en el ensayo y error, sino que podemos comprender y mejorar con precisión las propiedades químicas de las superficies".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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