La rugosidad oculta de la superficie del zafiro
La geometría determina la química: la rugosidad a escala nanométrica altera fundamentalmente la reactividad de las superficies
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A veces la geometría determina lo que es químicamente posible: Como ha demostrado la Universidad Técnica de Viena, pequeñas irregularidades pueden cambiar por completo el comportamiento químico de una superficie.
¿Por qué algunas superficies se comportan de forma tan diferente a lo que sugieren los cálculos teóricos? Los científicos asumieron durante mucho tiempo que la superficie de óxido de aluminio debería ser altamente reactiva y capaz de dividir moléculas de agua. Sin embargo, en los experimentos apenas se observa este comportamiento.
En la Universidad Técnica de Viena, los investigadores han encontrado una respuesta que también puede ayudar a explicar el comportamiento de muchos otros materiales: A escala atómica, la superficie tiene un aspecto completamente distinto del que se había supuesto. En lugar de una superficie lisa y ordenada con regularidad, los átomos más externos están dispuestos de forma irregular, lo que cambia drásticamente las propiedades químicas de la superficie.
Una superficie sorprendentemente poco reactiva
"Durante décadas, los investigadores supusieron que cortar el óxido de aluminio a lo largo de su plano basal crearía una superficie terminada por una capa regular de átomos de aluminio", afirma Jan Balajka, autor correspondiente del estudio. Una superficie así debería ser muy reactiva y catalizar reacciones químicas, por ejemplo la disociación de moléculas de agua en átomos de hidrógeno y grupos OH. Pero los experimentos resultaron decepcionantes: La reactividad observada quedó muy por debajo de las predicciones teóricas.
Imágenes de la superficie con resolución atómica
Los investigadores del grupo de física de superficies de la profesora Ulrike Diebold, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena, investigaron la superficie mediante una combinación de cálculos de teoría del funcional de la densidad y microscopía de fuerza atómica sin contacto. Esta precisa técnica de imagen puede resolver la superficie átomo por átomo.
Los resultados fueron sorprendentes. "La superficie no es lisa ni está ordenada de forma regular", explica Ulrike Diebold. "Por el contrario, descubrimos que es notablemente irregular y rugosa a escala atómica".
Sólo pequeñas regiones de la superficie están formadas por los átomos de aluminio ordenados que antes se esperaba que cubrieran toda la superficie. Después de unos pocos nanómetros, esta estructura regular se rompe y la superficie se vuelve rugosa, con variaciones locales de altura que abarcan varias capas atómicas.
La geometría determina la química
"Este desorden a escala atómica tiene un efecto decisivo en el comportamiento químico de la superficie", explica Jan Balajka. "La teoría anteriormente aceptada puede ser correcta para las pequeñas regiones regulares, pero la mayor parte de la superficie es rugosa y no homogénea, y por tanto se comporta de forma muy diferente".
Los resultados muestran que la estructura a escala atómica debe tenerse en cuenta al considerar las reacciones químicas en las superficies, no sólo para el óxido de aluminio, sino para muchos otros materiales utilizados en catálisis, crecimiento de películas delgadas y otras aplicaciones tecnológicas.
El estudio demuestra que el comportamiento químico de un material no puede entenderse únicamente a partir de su composición química. La estructura a escala atómica de la superficie es igualmente importante. Incluso las superficies que parecen perfectamente lisas en un microscopio ordinario pueden, a escala de átomos individuales, consistir en un paisaje muy irregular con propiedades químicas locales muy diferentes.
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