L'oxygène est très réactif. Il s'accumule sur de nombreuses surfaces et détermine leur comportement chimique. A l'Université de Technologie de Vienne, les scientifiques étudient l'interaction entre l'oxygène et les surfaces d'oxyde métallique, qui jouent un rôle important dans de nombreuses applications techniques, des capteurs chimiques et catalyseurs à l'électronique.

Cependant, il est extrêmement difficile d'étudier les molécules d'oxygène à la surface de l'oxyde métallique sans les altérer. A la TU Vienne, ceci a maintenant été réalisé avec une astuce spéciale :un seul atome d'oxygène est attaché à la pointe d'un microscope à force atomique, puis il est doucement guidé à travers la surface. La force entre la surface et l'atome d'oxygène est mesurée, et une image est prise avec une résolution extrêmement élevée. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue PNAS .

Différents types d'oxygène

"Dans les années récentes, pas mal de recherches ont été faites sur la façon dont l'oxygène se fixe aux surfaces d'oxyde métallique, " déclare le professeur Martin Setvin de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. " Les molécules d'O2 restent-elles intactes, ou sont-ils décomposés en atomes simples ? Ou serait-il possible que ce qu'on appelle le tétraoxygène se forme, un complexe de quatre atomes ? De telles questions sont importantes pour comprendre les réactions chimiques à la surface de l'oxyde métallique."

Malheureusement, il n'est pas facile de prendre une photo de ces atomes. Les microscopes à effet tunnel sont souvent utilisés pour imager des surfaces atome par atome. Une pointe fine est passée sur l'échantillon à une distance extrêmement courte, afin que les électrons individuels puissent passer entre l'échantillon et la pointe. Le petit courant électrique qui en résulte est mesuré. Cependant, cette méthode ne peut pas être utilisée pour les molécules d'oxygène - elles se chargeraient électriquement et changeraient complètement leur comportement.

Les scientifiques de Vienne ont plutôt utilisé un microscope à force atomique. Ici aussi, une pointe fine est déplacée sur la surface. Dans ce cas, pas de courant, mais la force qui agit entre la pointe et la surface est mesurée. Une astuce particulière a été décisive :la fonctionnalisation de la pointe :« Un seul atome d'oxygène est d'abord capturé par la pointe du microscope à force atomique puis déplacé sur la surface, " explique Igor Sokolovic. L'atome d'oxygène sert ainsi de sonde très sensible pour examiner la surface point par point.

Étant donné qu'aucun courant ne circule et que l'atome d'oxygène n'entre jamais en contact complet avec la surface, cette méthode est extrêmement douce et ne modifie pas les atomes à la surface de l'oxyde métallique. De cette façon, la géométrie des dépôts d'oxygène sur l'oxyde métallique peut être examinée en détail.

Une méthode polyvalente

"Cette fonctionnalisation de la pointe en y plaçant un atome très spécifique a été développée ces dernières années, et nous montrons maintenant pour la première fois qu'il peut être appliqué sur des surfaces d'oxyde métallique, " dit Setvin.

Il s'avère que les molécules d'oxygène peuvent être attachées à l'oxyde métallique de différentes manières, soit sur les atomes de titane à la surface, soit à certaines positions, où il manque un atome d'oxygène. Selon la température, les molécules d'oxygène peuvent alors se diviser en deux atomes d'oxygène individuels. Cependant, aucun tétraoxygène - un complexe hypothétique de quatre atomes d'oxygène - n'a été trouvé.

"Les surfaces d'oxyde de titane que nous examinons de cette manière sont un cas prototype pour tester cette méthode, " explique Martin Setvin. " Mais les connaissances que nous tirons de nos expériences s'appliquent également à de nombreux autres matériaux. " La microscopie avec une pointe fonctionnalisée dans un microscope à force atomique est une méthode polyvalente pour imager une structure de surface avec une résolution atomique sans destruction et sans électronique monnaie.