Вместе с коллегами из Словакии и Великобритании аспирант Юки Адачи с факультета прикладной физики Университета Осаки недавно опубликовал это исследование в ACS Nano.
Кислород – один из самых распространенных элементов на Земле.
Кислород, обычно содержащийся в его двухатомной форме, O2, обладает высокой реакционной способностью и недолго остается в газообразном состоянии. Основное состояние или наименее реактивная форма кислорода называется триплетным кислородом, потому что у него есть три возможных расположения электронных спинов. Однако синглетный кислород с его одним возможным расположением спинов является более реактивным и играет важную роль в разнообразных химических реакциях, от производства зеленого топлива до фотодинамического лечения рака.
Поэтому неудивительно, что существует значительный интерес к контролю образования и активации молекулярного кислорода.
«Мы использовали спектроскопию силы зонда Кельвина, чтобы исследовать зарядовые состояния атомов кислорода, прикрепленных к поверхности диоксида титана с рутилом, и затем управлять зарядом посредством переноса отдельных электронов к парам атомов кислорода и от них», – объясняет Адачи. «Мы определили три различных зарядовых состояния среди пар: O- / O-, O2- / O2- и O- / O2-. В зависимости от приложенного напряжения и того, где мы расположили наконечник зонда относительно атомов, мы могли бы обратимо переключать заряд между состояниями O- и O2-."
Затем команда показала, что они могут использовать тот же метод, чтобы вызвать контролируемое обратимое образование связи между двумя соседними атомами кислорода, образуя молекулярный кислород (O2).
Интересно, что они также обнаружили, что состояние заряда можно контролировать дистанционно, размещая наконечник в другом месте на поверхности рутила.
Электроны были переданы атомам кислорода через поверхностные поляроны – явление, при котором электроны могут перемещаться через кристаллическую решетку.
«Такой уровень контроля над зарядовым состоянием атомов кислорода ранее был невозможен», – говорит автор исследования, доцент Ян Цзюнь Ли. «Наша работа предоставляет новый метод изучения каталитических реакций на основе оксидов переходных металлов, который, вероятно, может быть применен к другим атомам и, возможно, другим поверхностям, где выполняются контролируемые химические реакции, инициированные манипулированием зарядом."