El platino es un cofactor importante. Pero hasta ahora, nadie sabe exactamente cómo se comportan los átomos de platino individuales durante la estimulación.
¿Qué sucede cuando un gato sube a un girasol? El girasol es inestable, se doblará rápidamente y el gato caerá al suelo. Sin embargo, si el gato solo necesita un empujón rápido para atrapar un pájaro desde allí, un girasol puede servir como un «paso intermedio constante». Este es básicamente el mecanismo por el cual los átomos individuales de las moléculas del catalizador se capturan para transformarlos químicamente.
Hace varios años, el grupo de Física de Superficies de la Universidad Tecnológica de Viena descubrió que los catalizadores de platino «monatómicos» pueden oxidar el monóxido de carbono a temperaturas que no deberían ser posibles según sus modelos teóricos. Ahora, con la ayuda de imágenes de microscopía a escala atómica y simulaciones informáticas complejas, han podido demostrar que tanto el propio catalizador como el material en el que se basa asumen estados «inestables» que son fuertemente desfavorables durante un corto tiempo para permitir que la reacción ocurra de una manera especial. Los resultados fueron publicados en la revista la ciencia avanza.
Átomos individuales como catalizadores
El grupo de investigación del profesor Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de TU Wien está buscando los catalizadores más pequeños posibles: los átomos de platino individuales se colocan en la superficie del óxido de hierro. Luego entran en contacto con el monóxido de carbono y se convierten en dióxido de carbono, como sucede con los gases de escape de los automóviles modernos.
«Este proceso es técnicamente muy importante, pero hasta ahora no estaba claro qué sucede exactamente cuando el catalizador se reduce al tamaño de un solo átomo», dice Gareth Parkinson. «En nuestro grupo de investigación, estudiamos estos procesos de varias maneras: por un lado, utilizamos un microscopio de túnel de barrido para producir imágenes de resolución extremadamente alta con las que se puede estudiar el movimiento de los átomos individuales. Por otro lado, analizamos el proceso de reacción usando espectroscopia y simulaciones por computadora”.
La actividad de los átomos de platino como catalizador depende de la temperatura. En el experimento, el catalizador se calienta lenta y uniformemente hasta alcanzar la temperatura crítica y el monóxido de carbono se convierte en dióxido de carbono. Este umbral es de unos 550 K. «Sin embargo, esto no encajaba en las simulaciones por computadora originales», dice Matthias Maier, primer autor de la publicación actual. «De acuerdo con la teoría funcional de la densidad, que generalmente se usa para tales cálculos, el proceso solo puede tener lugar a 800 K. Entonces aprendimos: algo importante se ha pasado por alto aquí hasta ahora».
Estado estacionario: efímero, pero importante
Durante varios años, el equipo acumuló una amplia experiencia con las mismas sustancias en otras reacciones y, como resultado, apareció una nueva imagen paso a paso. «Usando la teoría funcional de la densidad, normalmente se puede calcular el estado del sistema con la energía más baja», dice Matthias Maier. «Esto tiene sentido, porque este es el estado que el sistema asume con mayor frecuencia. Pero en nuestro caso, hay un segundo estado que juega un papel central: el llamado estado inestable».
Tanto los átomos de platino como la superficie de óxido de hierro pueden alternar entre diferentes estados físicos cuánticos. El estado fundamental, con la energía más baja, es estable. Cuando el sistema cambia al estado inestable, inevitablemente regresa al estado fundamental después de un corto tiempo, como un gato que intenta llegar a la cima de un poste de escalada inestable. Pero en la conversión catalítica del monóxido de carbono, es suficiente que el sistema esté en un estado estable durante un tiempo muy corto: al igual que un breve momento en el estado oscilante de escalada puede ser suficiente para que un gato atrape a un pájaro con su pata. , el catalizador puede convertir el monóxido de carbono en el estado no estacionario.
Cuando se introduce monóxido de carbono por primera vez, dos átomos de platino se unen para formar un dímero. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta, el dímero puede moverse a una posición menos favorable donde los átomos de oxígeno de la superficie están menos unidos. En el estado inestable, el óxido de hierro cambia precisamente su estructura atómica en este punto, liberando un átomo de oxígeno que el dióxido de carbono necesita para formar dióxido de carbono, que inmediatamente se va volando, completando el proceso de catálisis. «Si incluimos estos casos a corto plazo cuyo destino no se calculó previamente en nuestras simulaciones por computadora, obtenemos exactamente el resultado que también se midió en el experimento», dice Matthias Maier.
«Los resultados de nuestra investigación muestran que a menudo se necesita mucha experiencia con la física de superficies», dice Gareth Parkinson. «Si no hubiéramos estudiado procesos químicos muy diferentes a lo largo de los años, es posible que nunca hubiéramos resuelto este rompecabezas». Recientemente, la inteligencia artificial también se ha utilizado con gran éxito para analizar procesos químicos cuánticos, pero en este caso, Parkinson está convencido de que puede que no haya funcionado. Para encontrar soluciones creativas fuera de lo que antes se creía posible, probablemente necesite humanos después de todo.