Structures en spirale sur le cristal. Crédit :TU Vienne
Des images spectaculaires au microscope électronique à la TU Wien conduisent à des découvertes importantes :les réactions chimiques peuvent produire des ondes multifréquences en spirale et ainsi fournir des informations locales sur les catalyseurs.
Ils semblent presque hypnotiques, comme une lampe à lave. Les ondes rendues visibles à TU Wien à l'aide d'un microscope électronique à photoémission couvrent la surface de la feuille de rhodium avec des motifs étranges qui dansent sur la surface.
Les ondes sont connues sous de nombreuses formes très différentes; comme des vagues d'eau, ondes lumineuses ou ondes sonores. Mais ici, nous avons affaire à quelque chose de tout à fait différent :les ondes chimiques. Une réaction chimique a lieu à la surface d'un cristal, mais cela ne progresse pas dans un seul sens :au contraire, il revient périodiquement à son état d'origine. Selon la phase de cette réaction à progression cyclique, la surface du cristal de rhodium apparaît comme brillante ou sombre au microscope électronique à photoémission. Cela crée un motif d'onde en mouvement. La percée a été d'observer cet effet simultanément sur différents grains microscopiquement petits d'un catalyseur polycristallin. Des structures en spirale fascinantes s'y forment, dont le mouvement nous permet de collecter des informations sur les caractéristiques des grains de cristal individuels.
Lapins, renards et cristaux
Typiquement, on imagine une réaction chimique comme celle-ci :à partir de réactifs initiaux spécifiques, on obtient des produits finaux spécifiques. Mais cela n'a pas besoin d'être aussi simple que cela. Des oscillations auto-entretenues peuvent se produire, c'est-à-dire des changements périodiques entre deux états différents, " explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux à la TU Wien. Ceci est connu de disciplines scientifiques très différentes, tels que les modèles chasseurs-proies. Quand les renards mangent des lapins au point qu'il n'en reste presque plus, les renards meurent de faim et leur nombre diminue, et par conséquent, la population de lapins se rétablit. Des modèles similaires se produisent dans les prix de l'immobilier; ou même dans des réactions chimiques.
L'équipe de la TU Wien étudie l'oxydation de l'hydrogène, la base de toute pile à combustible. Ces études consistent à exposer des surfaces de rhodium à une atmosphère d'oxygène et d'hydrogène. Initialement, les molécules d'oxygène (O2) sont adsorbées à la surface où elles se dissocient en atomes d'oxygène. Les atomes d'oxygène isolés peuvent alors diffuser dans le cristal et former une fine couche d'oxygène sous la couche externe de rhodium. Cependant, cela réduit la capacité de la surface à lier l'oxygène. De plus en plus, l'hydrogène est lié à la place, qui réagit alors pour former de l'eau avec l'oxygène préalablement adsorbé. L'eau quitte à nouveau la surface, à un moment donné, le nombre d'atomes d'oxygène est revenu au niveau bas initial, et tout le processus recommence depuis le début.
Youri Suchorski, Johannes Bernardi, Johannes Zeininger, Martin Datler, Günther Rupprechter (de gauche à droite). Crédit :TU Vienne
Différents angles, fréquence différente
"De telles réactions oscillantes avaient déjà été étudiées par le prix Nobel Gerhard Ertl, " explique le professeur Yuri Suchorski, le premier auteur de l'article, qui, comme le professeur Rupprechter, a travaillé à l'Institut du professeur Ertl à Berlin avant de passer à la TU Wien. "Mais maintenant, nous avons franchi une étape supplémentaire importante :nous avons réussi à atteindre un état de nombreuses oscillations de fréquences différentes se produisant simultanément sur différents grains de la surface polycristalline." Ces différents grains présentent des réseaux cristallins orientés selon des angles différents par rapport à la surface.
Ces angles jouent un rôle crucial :la disposition géométrique des atomes à la surface d'un cristal dépend de la direction dans laquelle il est coupé. Cela détermine également la fréquence à laquelle la réaction chimique subit des oscillations cycliques.
Sur une surface polycristalline, il y a alors différentes régions dans lesquelles le processus cyclique se produit à des fréquences différentes. C'est précisément cet effet qui crée ces motifs de vagues fascinants. Lorsqu'une onde chimique traverse la surface et passe du bord d'un grain de cristal à un autre, il accélère ou ralentit, semblable à la lumière passant de l'air à l'eau. Cela modifie les structures complexes d'ondes spirales en fonction de l'orientation particulière de la surface du grain. « On peut alors en apprendre beaucoup sur le matériau de ces structures, " dit Günther Rupprechter. " En un coup d'œil, nous pouvons détecter quelles régions de notre surface ont des caractéristiques catalytiques supérieures. "
En route vers l'hydrogène énergie du futur
Il est nécessaire d'en savoir plus sur l'oxydation catalytique de l'hydrogène. "Pour les piles à combustible, les sources d'énergie mobiles du futur dont les seuls gaz d'échappement sont constitués d'eau pure, nous avons besoin de nouveaux matériaux qui aident à la combustion catalytique de l'hydrogène. Mais comme avant, ces processus ne sont pas encore entièrement compris », déclare le professeur Yuri Suchorski. « Il y a encore beaucoup de questions ouvertes ici, et maintenant nous avons un nouveau, façon très élégante de les étudier plus avant."
