A rugosidade oculta da superfície da safira
A geometria determina a química: a rugosidade à escala nanométrica altera fundamentalmente a reatividade da superfície
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Por vezes, a geometria determina o que é quimicamente possível: Como a TU Wien demonstrou agora, pequenas irregularidades podem alterar completamente o comportamento químico de uma superfície.
Porque é que certas superfícies se comportam de forma muito diferente do que os cálculos teóricos sugerem? Os cientistas há muito que assumiram que a superfície de óxido de alumínio deveria ser altamente reactiva e capaz de dividir as moléculas de água. No entanto, em experiências, este comportamento é pouco observado.
Na TU Wien, os investigadores encontraram uma resposta que pode também ajudar a explicar o comportamento de muitos outros materiais: À escala atómica, a superfície tem um aspeto completamente diferente do que se supunha. Em vez de uma superfície lisa e regularmente ordenada, os átomos mais exteriores estão dispostos de forma irregular, o que altera drasticamente as propriedades químicas da superfície.
Uma superfície surpreendentemente pouco reactiva
"Durante décadas, os investigadores assumiram que o corte do óxido de alumínio ao longo do seu plano basal criaria uma superfície terminada por uma camada regular de átomos de alumínio", diz Jan Balajka, autor correspondente do estudo. Uma tal superfície deveria ser altamente reactiva e catalisar reacções químicas, por exemplo, a dissociação de moléculas de água em átomos de hidrogénio e grupos OH. Mas as experiências revelaram-se decepcionantes: A reatividade observada ficou muito aquém das previsões teóricas.
Imagiologia da superfície com resolução atómica
Ulrike Diebold, do Instituto de Física Aplicada da TU Wien, investigaram a superfície utilizando uma combinação de cálculos da teoria do funcional da densidade e microscopia de força atómica sem contacto. Esta técnica de imagem precisa pode resolver a superfície átomo a átomo.
Os resultados foram surpreendentes. "A superfície não é lisa e regularmente ordenada", diz Ulrike Diebold. "Em vez disso, descobrimos que é extraordinariamente irregular e rugosa à escala atómica."
Apenas pequenas regiões da superfície são constituídas pelos átomos de alumínio ordenados que se esperava que cobrissem toda a superfície. Depois de apenas alguns nanómetros, esta estrutura regular quebra-se e a superfície torna-se rugosa, com variações locais de altura que abrangem várias camadas atómicas.
A geometria determina a química
"Esta desordem à escala atómica tem um efeito decisivo no comportamento químico da superfície", explica Jan Balajka. "A teoria anteriormente aceite pode estar correta para as pequenas regiões regulares, mas a maior parte da superfície é rugosa e não homogénea e, por isso, comporta-se de forma muito diferente."
Os resultados mostram que a estrutura à escala atómica deve ser tida em conta quando se consideram as reacções químicas nas superfícies - não apenas para o óxido de alumínio, mas para muitos outros materiais utilizados em catálise, crescimento de película fina e outras aplicações tecnológicas.
O estudo mostra que o comportamento químico de um material não pode ser compreendido apenas a partir da sua composição química. A estrutura da superfície à escala atómica é igualmente importante. Mesmo as superfícies que parecem perfeitamente lisas ao microscópio comum podem, à escala dos átomos individuais, ser constituídas por uma paisagem altamente irregular com propriedades químicas locais muito diferentes.
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