На первый взгляд магнетит представляет собой довольно неприметный серый минерал. Но в атомном масштабе он обладает замечательными свойствами: на магнетите отдельные атомы металла удерживаются на месте или их можно заставить перемещаться по поверхности. Иногда несколько атомов металла на магнетите образуют небольшие кластеры.
Подобные явления могут кардинально изменить химическую активность материала. Атомные процессы на поверхности магнетита определяют, насколько хорошо определенные атомы металлов могут служить катализаторами химических реакций.Ученые из Венского технического университета (Вена) вместе с коллегами из Утрехтского университета теперь могут наблюдать, как отдельные атомы платины образуют крошечные кластеры. Окись углерода играет в этом процессе двоякую роль: она позволяет отдельным атомам платины двигаться и образовывать пары, а затем удерживает эти пары вместе в течение длительного времени.
Только повышая температуру, можно разорвать парные связи между атомами платины.Одинокие атомыЭто немного похоже на несчастную историю любви: «Два атома платины действительно хотели бы быть вместе, но поверхность магнетита разделяет их», — говорит Роланд Блим (TU Wien).
Вместе с профессором Гаретом Паркинсоном, профессором Ульрике Диболд и их коллегами он проанализировал поведение атомов платины с помощью сканирующего туннельного микроскопа. «Когда атом платины ударяется о поверхность магнетита, он удерживается на месте атомами кислорода в магнетите. Атомы всегда оказываются одни. На других поверхностях образование пар будет благоприятным, но магнетит не позволяет этого», — говорит Роланд.
Блим. Атомы платины находятся в определенных местах кристалла магнетита и не могут уйти без посторонней помощи.
Однако с появлением окиси углерода ситуация полностью меняется: «Молекула окиси углерода может присоединиться к атому платины и поднять ее вверх», — говорит Гарет Паркинсон. «Мы называем это эффектом небесного крюка». Процесс подъема освобождает атом от плотной хватки магнетита, и вместе молекула и атом платины могут начать беспорядочно перемещаться по поверхности магнетита.Когда один мобилизованный атом платины находит другой, они могут образовывать связь — до тех пор, пока они оба поднимаются монооксидом углерода, уменьшая влияние находящегося внизу магнетита.При повышении температуры до 250 ° C окись углерода отделяется от атома платины, и связь разрывается.
Два атома платины снова должны найти разные места на поверхности магнетита. Этот эффект открывает стратегию превращения кластеров в отдельные атомы — важный процесс в так называемых «одноатомных катализаторах». Иногда образуются кластеры из нескольких атомов. Однако эти более крупные кластеры не могут быть разрушены даже при высоких температурах.
Фильмы с атомным разрешением«В нашем сканирующем туннельном микроскопе мы можем снова и снова изображать одну и ту же часть поверхности, так что мы можем создать фильм, показывающий танцующие атомы», — говорит Роланд Блим. «Это очень важно для понимания того, что на самом деле происходит на поверхности магнетита. Мы можем наблюдать, как отдельные атомы блуждают по поверхности магнетита или соединяются друг с другом. Если бы у нас была только картина конечного результата, мы не могли бы с уверенностью сказать, состоит ли одна конкретная структура из одного, двух или более атомов.
Только отслеживая эволюцию атомного движения во времени, мы знаем, какая интерпретация верна ». Блием не только проводил эксперименты, но и выполнял сложные теоретические расчеты, чтобы объяснить своеобразное поведение атомов платины на квантовомеханическом уровне.Для химического катализа такие результаты играют важную роль. «Металлы, такие как платина, часто используются в качестве катализаторов», — говорит Гарет Паркинсон. «Но большой кластер из многих атомов металлов может иметь совершенно другие химические свойства, чем отдельные атомы металла, расположенные отдельно на поверхности.
Когда мы хотим оптимизировать катализаторы, мы должны быть в состоянии понять и контролировать поведение атомов. Эта работа является еще один шаг к этой цели ".