Cómo acariciar suavemente los átomos: Un solo átomo de oxígeno se utiliza como un sensor de alta sensibilidad
¿Cómo se pueden estudiar las superficies lo más suavemente posible a escala atómica?
El oxígeno es altamente reactivo. Se acumula en muchas superficies y determina su comportamiento químico. En la Universidad Tecnológica de Viena, los científicos estudian la interacción entre el oxígeno y las superficies de óxido metálico, que juegan un papel importante en muchas aplicaciones técnicas, desde los sensores químicos y catalizadores hasta la electrónica.
Martin Setvin (l) e Igor Sokolovic en el laboratorio
Copyright: TU Wien
Las moléculas de oxígeno se adsorben en la superficie (naranja)
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Sin embargo, es extremadamente difícil estudiar las moléculas de oxígeno en la superficie del óxido metálico sin alterarlas. En la Universidad Técnica de Viena, esto se ha logrado con un truco especial: un solo átomo de oxígeno se fija a la punta de un microscopio de fuerza atómica y luego se guía suavemente a través de la superficie. Se mide la fuerza entre la superficie y el átomo de oxígeno, y se toma una imagen con una resolución extremadamente alta.
Diferentes tipos de oxígeno
"En los últimos años, se ha investigado bastante sobre cómo el oxígeno se adhiere a las superficies de óxido metálico", dice el profesor Martin Setvin del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. "¿Las moléculas de O2 permanecen intactas, o se descomponen en átomos individuales? ¿O podría ser posible que el llamado tetraoxígeno se forme, un complejo de cuatro átomos? Tales preguntas son importantes para entender las reacciones químicas en la superficie del óxido de metal."
Desafortunadamente, no es fácil tomar una imagen de estos átomos. Los microscopios de túnel de barrido se utilizan a menudo para tomar imágenes de las superficies átomo por átomo. Se pasa una punta fina sobre la muestra a una distancia extremadamente corta, de modo que los electrones individuales pueden pasar entre la muestra y la punta. La diminuta corriente eléctrica resultante se mide. Sin embargo, este método no se puede utilizar para las moléculas de oxígeno, ya que se cargarían eléctricamente y cambiarían completamente su comportamiento.
Los científicos de Viena utilizaron en su lugar un microscopio de fuerza atómica. Aquí también, una punta delgada se mueve a través de la superficie. En este caso, no fluye ninguna corriente, pero se mide la fuerza que actúa entre la punta y la superficie. Un truco especial fue decisivo - la funcionalización de la punta: "Un solo átomo de oxígeno es primero capturado por la punta del microscopio de fuerza atómica y luego se mueve a través de la superficie", explica Igor Sokolovic. El átomo de oxígeno sirve así como una sonda altamente sensible para examinar la superficie punto por punto.
Como no fluye ninguna corriente y el átomo de oxígeno nunca entra en pleno contacto con la superficie, este método es extremadamente suave y no cambia los átomos de la superficie de óxido metálico. De esta manera, la geometría de los depósitos de oxígeno en el óxido metálico puede ser examinada en detalle.
Un método versátil
"Esta funcionalización de la punta colocando un átomo muy específico sobre ella se ha desarrollado en los últimos años, y ahora estamos mostrando por primera vez que puede aplicarse a las superficies de óxido metálico", dice Setvin.
Resulta que las moléculas de oxígeno se pueden adherir al óxido metálico de diferentes maneras, ya sea en los átomos de titanio en la superficie o en ciertas posiciones, donde falta un átomo de oxígeno. Dependiendo de la temperatura, las moléculas de oxígeno pueden entonces dividirse en dos átomos de oxígeno individuales. Sin embargo, no se encontró ningún tetraoxígeno, un complejo hipotético de cuatro átomos de oxígeno.
"Las superficies de óxido de titanio que examinamos de esta manera son un caso prototipo para poner a prueba este método", explica Martin Setvin. "Pero los conocimientos que obtenemos de nuestros experimentos también se aplican a muchos otros materiales." La microscopía con una punta funcionalizada en un microscopio de fuerza atómica es un método versátil para obtener imágenes de una estructura de superficie con resolución atómica sin destrucción y sin cambios electrónicos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
M. Setvin et al., "Resolving the adsorption of molecular O2 on the rutile TiO2(110) surface by non-contact atomic force microscopy," PNAS (2020)
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