В статье, опубликованной недавно в журнале Nature Communications, Манос Маврикакис, профессор химической и биологической инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон, и его сотрудники сообщают о фундаментальных открытиях о том, как вода реагирует с оксидами металлов. Документ открывает двери для лучшего понимания и контроля химических реакций в самых разных областях, от катализа до геохимии и химии атмосферы.«Эти металлооксидные материалы есть повсюду, а вода — повсюду, — говорит Маврикакис. «Было бы неплохо увидеть, как нечто столь многочисленное, как вода, взаимодействует с материалами, которые ускоряют химические реакции».Эти реакции играют огромную роль в создании на основе катализа общих химических платформ, таких как метанол, который производится порядка 10 миллионов тонн в год в качестве сырья для производства химикатов и для использования в качестве топлива. «В 90% всех каталитических процессов в качестве носителя используются оксиды металлов», — говорит Маврикакис. «Следовательно, на все реакции, включая воду в качестве примеси, реагента или продукта, будет оказано влияние разработанное понимание».
Химики понимают, как вода взаимодействует со многими неоксидными металлами, которые очень однородны. С оксидами металлов сложнее: изредка отсутствует атом кислорода, что вызывает то, что Маврикакис называет «кислородными дефектами». Когда вода встречается с одним из этих дефектов, она образует два соседних гидроксила — стабильное соединение, состоящее из одного атома кислорода и одного атома водорода.
Маврикакис, научный сотрудник Гоуэн Пэн и доктор философии. Студентка Кэрри Фарберов вместе с исследователями из Орхусского университета в Дании и Лундского университета в Швеции исследовала, как гидроксилы влияют на молекулы воды вокруг них и чем это отличается от молекул воды, контактирующих с нетронутой поверхностью оксида металла.
Исследователи из Орхуса получили данные о реакциях с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Затем исследователи из Висконсина подвергли изображения СТМ квантово-механическому анализу, который расшифровал полученные химические структуры, определив, какой атом является каким. «Если у вас нет того компонента работы, который мы предоставили, вы не сможете сказать с помощью одного только СТМ, какова атомная структура воды при абсорбции на различных поверхностях», — говорит Маврикакис.
В результате проекта были получены две совершенно разные картины реакций вода-оксид металла.
«На гладкой поверхности вы формируете аморфные сети молекул воды, тогда как на гидроксилированной поверхности есть гораздо более структурированные, хорошо упорядоченные домены молекул воды», — говорит Маврикакис.В последнем случае исследователи поняли, что гидроксил действует как своего рода якорь, устанавливая шаблон для аккуратного гексамерного кольца молекул воды, притянутых к поверхности металла.Следующий шаг Маврикакиса — изучить, как эти различные структуры взаимодействуют с другими молекулами, и использовать результаты исследований для улучшения катализа.
Он видит много возможностей за пределами своей области.«Возможно, другие могут вдохновиться и посмотреть на последствия для геохимии или химии атмосферы, например, как эти кластерные структуры воды на наночастицах атмосферной пыли могут повлиять на образование облаков, дождь и кислотный дождь», — говорит Маврикакис.Другие исследователи могут также посмотреть, демонстрируют ли другие молекулы подобное поведение при контакте с оксидами металлов, добавляет он.«Это открывает двери для использования водородных связей, чтобы сделать поверхности гидрофильными или притягиваемыми к воде, и (шаблон) этих поверхностей для избирательного поглощения других молекул, имеющих фундаментальное сходство с водой», — говорит Маврикакис. «Поскольку катализ лежит в основе инженерных химических реакций, он также очень важен для инженерии химических реакций атомного масштаба».
Хотя исследования составляют часть основы химии, они во многом обязаны новейшим исследовательским технологиям.«Размер и характер вычислений, которые нам приходилось делать, вероятно, были невозможны до, может быть, четыре или пять лет назад, а пространственное и временное разрешение сканирующей туннельной микроскопии отсутствовало», — говорит Маврикакис. «Так что это прогресс в методах, которые позволяют рождать эту новую информацию».