Ученые Венского технологического университета показали, что атомная структура поверхности магнетита, которую все считали хорошо известной, на самом деле с самого начала была неправильной. Свойства магнетита определяются отсутствием атомов железа в подповерхностном слое. «Оказывается, поверхность Fe3O4 вовсе не Fe3O4, а скорее Fe11O16», — говорит профессор Ульрике Диболд, руководитель группы исследования оксидов металлов в Венском техническом университете (Вена).
Новые результаты опубликованы в журнале Science.Материал, который просто не ведет себя
Возможно, самым удивительным свойством поверхности магнетита является то, что отдельные атомы, размещенные на поверхности, например золота или палладия, остаются на месте, а не сливаются в комок и формируют наночастицы. Этот эффект делает поверхность чрезвычайно эффективным катализатором химических реакций — но никто никогда не мог сказать, почему магнетит так себя ведет. «Кроме того, электроника на основе Fe3O4 никогда не работает так хорошо, как должна», — говорит Гарет Паркинсон (TU Wien). «Поскольку материалы взаимодействуют с окружающей средой через поверхность, очень важно понимать структуру поверхности и то, почему она образуется».
Очень часто свойства оксидов металлов зависят от кислородных вакансий в самых верхних атомных слоях. В зависимости от окружающей среды некоторые атомы кислорода на поверхности могут отсутствовать. Это может сильно повлиять на электронные свойства материала. «Все в нашем сообществе думают о пропавших без вести атомах кислорода.
Вот почему нам потребовалось немало времени, чтобы понять, что на самом деле все дело в отсутствующих атомах железа», — говорит Гарет Паркинсон.Это не кислород, это металл
Вместо фиксированной структуры атомов металлов со встроенными атомами кислорода, нужно думать об оксидах железа как о четко определенной кислородной структуре с небольшими атомами металла, скрытыми внутри. Непосредственно под самым внешним атомным слоем кристаллическая структура перестраивается, и некоторые атомы железа отсутствуют.Именно над такими местами недостающих атомов железа прикрепляются другие атомы металла.
Эти места вакансий в железе расположены регулярно, и поэтому всегда существует некоторое четко определенное расстояние между атомами золота или палладия, прикрепленными к поверхности. Это объясняет, почему поверхности магнетита не позволяют этим атомам образовывать кластеры.Идея полностью переосмыслить кристаллическую структуру магнетита была довольно смелой, поэтому ученые очень тщательно проанализировали свою теорию. Квантовое моделирование проводилось на больших суперкомпьютерах, чтобы показать, что предложенная структура действительно была физически разумной.
После этого измерения дифракции электронов были выполнены совместно с исследователями из Университета Эрлангена-Нюрнберга, Германия.«Рассеивая медленные электроны на поверхности, можно измерить, насколько хорошо реальная кристаллическая структура материала согласуется с теоретической моделью», — говорит Ульрике Диболд. Это согласие количественно выражается так называемым «R-значением». «Для очень известных структур можно достичь значения R 0,1 или 0,15.
Для магнетита никому никогда не удавалось получить что-либо лучше 0,3, и люди говорили, что это просто невозможно». Но новая структура магнетита с отсутствующими атомами железа очень хорошо согласуется с экспериментальными данными, давая значение R 0,125.Магнетит — это только началоОксиды металлов широко известны как технологически важные, но их чрезвычайно сложно описать. «Наши результаты показывают, что не стоит отчаиваться.
В конце концов, оксиды металлов можно смоделировать довольно точно, но, возможно, не так, как можно было бы ожидать на первый взгляд», — говорит Гарет Паркинсон. Ученые ожидают, что их результаты применимы не только к оксиду железа, но и к оксидам кобальта, марганца или никеля.
Переосмысление их кристаллических структур могло бы стимулировать исследования оксидов железа во многих областях и привести к их применению в химическом катализе, электронике или медицине.Исследовательский проект наводит мосты между физикой и химией.
TU Wien создала докторскую школу Solids4fun, чтобы способствовать тесному междисциплинарному сотрудничеству в области материаловедения и науки о поверхности.
