Le degré d'acidité ou d'alcalinité d'une substance est crucial pour son comportement chimique. Le facteur décisif est la soi-disant affinité protonique, qui indique avec quelle facilité une entité accepte ou libère un seul proton. Bien qu'il soit facile de mesurer cela pour les molécules, cela n'a pas été possible pour les surfaces. Ceci est important car les atomes sur les surfaces ont des affinités protoniques très différentes, selon l'endroit où ils sont assis. Des chercheurs de la TU Wien ont maintenant réussi à rendre expérimentalement accessible pour la première fois cette importante quantité physique :à l'aide d'un microscope à force atomique spécialement modifié, il est possible d'étudier l'affinité protonique des atomes individuels. Cela devrait aider à analyser les catalyseurs à l'échelle atomique. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique La nature .

Précision au lieu de moyenne

"Toutes les mesures précédentes de l'acidité de surface présentaient un grave inconvénient, " explique le professeur Ulrike Diebold de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. " Bien que les atomes de surface se comportent chimiquement différemment, on ne pouvait jamais mesurer que la valeur moyenne."

Ainsi, on ne sait pas quels atomes ont contribué aux réactions chimiques, et dans quelle mesure, ce qui rend impossible d'ajuster l'échelle atomique de la surface pour favoriser certaines réactions chimiques. Mais c'est exactement ce qu'il faut, par exemple, lors de la recherche de catalyseurs plus efficaces pour la production d'hydrogène.

"Nous avons analysé des surfaces en oxyde d'indium. Elles sont particulièrement intéressantes car il existe cinq types différents de groupes OH avec des propriétés différentes sur la surface, " dit Margareta Wagner, qui a effectué ces mesures dans le laboratoire du professeur Diebold.

Avec une astuce spéciale, il était possible d'étudier ces groupes OH individuellement :les chercheurs ont placé un seul groupe OH à la pointe d'un microscope à force atomique. Cette pointe a ensuite été positionnée spécifiquement sur un atome particulier de la surface. Une force agit alors entre le groupe OH sur la pointe et le groupe OH directement en dessous sur la surface de l'oxyde d'indium, et cette force dépend sensiblement de la distance qui les sépare.

"Nous faisons varier la distance entre la pointe et la surface et mesurons comment cela change la force, " explique Margareta Wagner. " Cela nous donne une courbe de force caractéristique pour chaque groupe OH sur la surface d'un matériau. " La forme de cette courbe de force fournit des informations sur la façon dont les atomes d'oxygène respectifs sur la surface d'oxyde d'indium retiennent leurs protons - avec quelle facilité ils les relâcheront.

Afin d'obtenir une valeur réelle pour l'affinité protonique, un travail théorique était nécessaire. Cela a été réalisé par Bernd Meyer à la Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg, Allemagne. Dans des simulations informatiques élaborées, il a été possible de montrer comment la courbe de force du microscope à force atomique peut être traduite de manière simple et précise en les quantités nécessaires en chimie.

La nanostructure détermine la qualité des catalyseurs

« Ceci est assez crucial pour le développement ultérieur des catalyseurs, " dit Bernd Meyer. " On sait que les atomes d'un même type se comportent assez différemment selon leurs voisins atomiques et la façon dont ils sont incorporés à la surface. " Par exemple, cela peut faire une grande différence si la surface est parfaitement lisse ou a des marches à l'échelle atomique. Les atomes avec un plus petit nombre de voisins sont assis à de tels bords de marche, et ils peuvent potentiellement améliorer ou aggraver de manière significative les réactions chimiques.

"Avec notre pointe de microscope à force de balayage fonctionnalisée, nous pouvons maintenant étudier précisément ces questions pour la première fois, " dit Ulrike Diebold. " Cela signifie que nous n'avons plus à nous fier aux essais et erreurs, mais peut précisément comprendre et améliorer les propriétés chimiques des surfaces."