La rugosità nascosta della superficie dello zaffiro

Perché alcune superfici si comportano in modo molto diverso da quanto suggerito dai calcoli teorici? Da tempo gli scienziati ritenevano che la superficie dell'ossido di alluminio dovesse essere altamente reattiva e in grado di scindere le molecole d'acqua. Negli esperimenti, tuttavia, questo comportamento è appena osservato.

Alla TU Wien, i ricercatori hanno trovato una risposta che può aiutare a spiegare il comportamento di molti altri materiali: Su scala atomica, la superficie ha un aspetto completamente diverso da quello ipotizzato. Invece di una superficie liscia e regolarmente ordinata, gli atomi più esterni sono disposti in modo irregolare, il che cambia drasticamente le proprietà chimiche della superficie.

Una superficie sorprendentemente poco reattiva

"Per decenni i ricercatori hanno ipotizzato che tagliando l'ossido di alluminio lungo il suo piano basale si sarebbe creata una superficie terminata da uno strato regolare di atomi di alluminio", spiega Jan Balajka, autore corrispondente dello studio. Una superficie di questo tipo dovrebbe essere altamente reattiva e catalizzare le reazioni chimiche, ad esempio la dissociazione delle molecole d'acqua in atomi di idrogeno e gruppi OH. Ma gli esperimenti si sono rivelati deludenti: La reattività osservata è stata di gran lunga inferiore alle previsioni teoriche.

Imaging della superficie con risoluzione atomica

I ricercatori del gruppo di fisica delle superfici del Prof. Ulrike Diebold presso l'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien hanno studiato la superficie utilizzando una combinazione di calcoli di teoria funzionale della densità e microscopia a forza atomica senza contatto. Questa precisa tecnica di imaging può risolvere la superficie atomo per atomo.

I risultati sono stati sorprendenti. "La superficie non è liscia e regolarmente ordinata", afferma Ulrike Diebold. "Al contrario, abbiamo scoperto che è notevolmente irregolare e ruvida su scala atomica".

Solo piccole regioni della superficie sono costituite dagli atomi di alluminio ordinati che in precedenza ci si aspettava coprissero l'intera superficie. Dopo pochi nanometri, questa struttura regolare si rompe e la superficie diventa ruvida, con variazioni locali di altezza che coprono diversi strati atomici.

La geometria determina la chimica

"Questo disordine su scala atomica ha un effetto decisivo sul comportamento chimico della superficie", spiega Jan Balajka. "La teoria precedentemente accettata può essere corretta per le piccole regioni regolari, ma la maggior parte della superficie è ruvida e disomogenea e quindi si comporta in modo molto diverso".

I risultati dimostrano che la struttura su scala atomica deve essere presa in considerazione quando si considerano le reazioni chimiche sulle superfici, non solo per l'ossido di alluminio, ma anche per molti altri materiali utilizzati nella catalisi, nella crescita di film sottili e in altre applicazioni tecnologiche.

Lo studio dimostra che il comportamento chimico di un materiale non può essere compreso solo dalla sua composizione chimica. La struttura su scala atomica della superficie è altrettanto importante. Anche le superfici che appaiono perfettamente lisce al microscopio ordinario possono, sulla scala dei singoli atomi, essere costituite da un paesaggio altamente irregolare con proprietà chimiche locali molto diverse.