Серебряный трилистник разглядели в микроскоп

Российские ученые разгадали тайну странных трилистников на поверхности серебра

Григорий Колпаков 06.11.2016, 17:36
Строение «трилистников» кислорода: каждый состоит из шести атомов Андрюшечкин
Строение «трилистников» кислорода: каждый состоит из шести атомов

Российские ученые сделали открытие, полезное для получения оксидов этилена — важнейшего сырья для химической промышленности. Сделать это удалось при помощи уникального туннельного микроскопа.

Группа исследователей из Института общей физики РАН (ИОФ РАН) опровергла общепринятые представления о процессах, происходящих на поверхности серебра в самом начале его окисления, тем самым приблизившись к пониманию сложнейшего механизма взаимодействия серебра и молекулярного кислорода. Это чрезвычайно важно как для фундаментальной науки, так и для дальнейших приложений в химической промышленности. О своей работе ученые рассказали в статье, опубликованной в июльском номере журнала Physical Review Letters.

Серебро используется в промышленных масштабах в качестве катализатора.

Одна из важнейших реакций — реакция частичного окисления этилена, при котором возможны два канала. В первом случае происходит «сгорание» этилена до углекислого газа и воды. Однако наиболее интересным и мягким является частичное окисление с образованием эпоксида, и перед исследователями всегда стояла задача заставить реакцию окисления развиваться по второму сценарию.

По словам одного из авторов статьи, заведующего лабораторией физики поверхности ИОФ РАН Бориса Андрюшечкина, экспериментально химики научились окислять до 80–90% этилена в эпоксид, однако механизм данной реакции на уровне отдельных атомов остается неустановленным до сих пор и является «одной из самых интригующих» проблем физики/химии поверхности на протяжении последних нескольких десятилетий.

Основным нерешенным вопросом является определение структур, состоящих из особых атомов кислорода на поверхности серебра, которые и участвуют в образовании эпоксида. Проблема оказалась трудноразрешимой — отчасти из-за ее теоретической сложности, отчасти из-за невозможности однозначно определить реальную атомную структуру окисленной поверхности.

Ситуация изменилась в девяностых годах прошлого века, когда был изобретен новый удивительный прибор — сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий видеть на поверхности отдельные атомы.

В начале нашего века, изучив с его помощью момент начала окисления серебряной поверхности, ученые обнаружили на ней множество темных объектов размером около 1 нанометра. Что это за пятна, было неясно, однако, подумав, научное сообщество решило, что это отдельные атомы кислорода, адсорбированные (захваченные и прикрепленные) на поверхности серебра.

Эта интерпретация была простейшей, и она устроила на тот момент всех исследователей в данной области, но, как сейчас выясняется, была неверной.

Научный коллектив из Института общей физики РАН — одна из немногих групп в России, способных проводить исследования на атомном уровне при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Более того, именно ученые из ИОФ РАН являются разработчиками линейки сверхвысоковакуумных сканирующих туннельных микроскопов GPI-300 и GPY CRYO, серийно производимых российской компанией SigmaScan.

В своей работе ученые использовали низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп GPY CRYO, работающий при температуре жидкого гелия (–268 ºС). При этой температуре атомы на поверхности полностью теряют свою подвижность, в результате чего становится возможным получать изображения поверхности с атомным разрешением наивысшего качества. На этих изображениях вместо «простых» черных точек, наблюдаемых ранее, ученые обнаружили объекты причудливой формы, напоминающие трилистники. Для того чтобы понять, какого рода объекты скрываются за трилистниками, в ИОФ РАН были проведены теоретические расчеты. В результате было установлено, что каждый объект состоит из вакансии в верхнем слое серебра, вокруг которой распределены шесть атомов кислорода, причем три атома находятся на поверхности, а три — под первым слоем серебра.

«Трилистники» из атомов кислорода на поверхности серебра, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа
«Трилистники» из атомов кислорода на поверхности серебра, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа

По словам Бориса Андрюшечкина, каждый трилистник можно назвать точечным, или локальным, оксидом.

Установление его атомной структуры — лишь первый шаг в понимании процессов, происходящих при окислении серебра, но шаг серьезный.

«Наша работа, — продолжает Борис Андрюшечкин, — существенно меняет общепринятые представления о природе атомных структур, образующихся на поверхности серебра на начальных этапах окисления. Это означает, что и последующие структурные и химические превращения на поверхности серебра при окислении могут проходить не так, как это нам сейчас представляется».

Исследования атомных структур поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

«Как известно, основная проблема науки — финансирование. Без него не удержишь молодых. Размер гранта РНФ превышает размер гранта РФФИ почти в 10 раз, поэтому он позволяет обеспечить достойную зарплату сотрудникам. Мы проводили и проводим исследования на мировом уровне. У нас появилась идея проекта, и наша инициатива была поддержана грантом РНФ», — говорит ученый.