L'utilisation d'agents catalytiques efficaces est ce qui rend de nombreuses procédures techniques réalisables en premier lieu. En effet, la synthèse de plus de 80 pour cent des produits générés dans l'industrie chimique nécessite l'apport de catalyseurs spécifiques. La plupart d'entre eux sont des catalyseurs à l'état solide, et les réactions qu'elles rendent possibles ont lieu entre des molécules qui s'adsorbent à leurs surfaces.

Les propriétés spécifiques du catalyseur permettent aux molécules de départ d'interagir et d'accélérer la réaction entre elles, sans consommer ou altérer le catalyseur lui-même. Cependant, une catalyse efficace nécessite également un mélange efficace, les réactifs doivent donc pouvoir diffuser latéralement à la surface du catalyseur pour maximiser les chances de subir la réaction souhaitée. Dans les conditions employées dans les procédés industriels, cependant, la surface du catalyseur est généralement si densément remplie de particules adsorbées qu'il n'a pas été clair comment les molécules pourraient diffuser efficacement. Des chercheurs dirigés par le professeur Joost Wintterlin du département de chimie de la Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) ont maintenant montré que, bien que les réactifs passent en effet du temps virtuellement piégés à la surface du catalyseur, les fluctuations locales du taux d'occupation offrent souvent des occasions de changer de poste. Les nouvelles découvertes paraissent dans la principale revue Science .

Afin de mieux comprendre les processus moléculaires qui se déroulent sur un catalyseur à l'état solide, Wintterlin et ses collègues ont utilisé la microscopie à effet tunnel (STM) pour surveiller la mobilité des atomes d'oxygène individuels sur un catalyseur de ruthénium (Ru) qui était densément emballé avec des molécules de monoxyde de carbone (CO) adsorbées. "Nous avons choisi ce système car l'oxydation du CO en CO2 sur les métaux appartenant au groupe du platine est un modèle bien étudié pour la catalyse à l'état solide en général, " explique Winterlin. Cependant, la microscopie à effet tunnel classique n'aurait pas été en mesure de capturer la dynamique de surface de ce système réactionnel. Mais l'équipe a réussi à augmenter le taux d'acquisition de données, atteignant enfin des cadences allant jusqu'à 50 images par seconde, suffisamment élevées pour réaliser des vidéos de la dynamique des particules sur le catalyseur.

Les images STM ont révélé que les atomes d'oxygène sont complètement cernés par des cages triangulaires formées par des molécules de CO adsorbées à la surface du catalyseur Ru. L'analyse des vidéos a montré que les atomes d'oxygène uniques ne peuvent sauter qu'entre trois positions formées par les interstices des atomes de Ru. "Mais, à notre surprise, nous avons également observé qu'un atome peut s'échapper de sa cage, et commence soudainement à diffuser à travers la matrice de monoxyde de carbone à un taux presque aussi élevé que s'il s'agissait d'une surface complètement vide, " dit Ann-Kathrin Henß, premier auteur de l'article de recherche. En collaboration avec le professeur Axel Groß de l'Institut de chimie théorique de l'Université d'Ulm, les chercheurs munichois ont pu relier ce phénomène aux fluctuations de la densité locale du CO en surface, qui donnent naissance à des régions dans lesquelles les molécules sont plus ou moins étroitement tassées. Lorsqu'une telle fluctuation se produit au voisinage d'un atome d'oxygène, ce dernier peut s'échapper de sa cage, et se frayer un chemin vers un nouveau poste. En réalité, ce « mécanisme d'ouverture de porte » ouvre des voies de diffusion si rapidement que le mouvement des atomes d'oxygène à travers la matrice n'est pas significativement entravé. Cela explique pourquoi ils peuvent presque toujours trouver un nouveau partenaire de liaison pour la réaction facilitée par le catalyseur.