Magneettikentät antavat uuden käänteen pintakemiaan

Kemiallisilla reaktioilla pinnoilla on keskeinen rooli monissa prosesseissa, kuten katalyysissä ja materiaalien synteesissä. On hyvin tiedossa, että näiden reaktioiden lopputulokseen vaikuttavat atomien ja molekyylien translaatio-, värähtely- ja pyörimisliikkeet.

Nyt uraauurtava tutkimus osoittaa, että elektronien spin, toinen aineen perusominaisuus, vaikuttaa myös siihen, miten kemialliset reaktiot pinnoilla tapahtuvat.

Tutkimusartikkelissa tutkijaryhmä Tokion yliopistosta, teollisuustieteiden instituutista ja yhteistyökumppaneista raportoi, että vetyatomien spin-orientaation säätäminen muuttaa dramaattisesti sekä vedyn adsorptio- että vedyn abstraktioreaktioiden todennäköisyyttä magneettisella nikkelipinnalla.

Tulokset osoittavat elektronispinin olevan tärkeä vapausaste pintakemiassa ja viittaavat siihen, että ulkoiset magneettikentät voisivat tarjota uuden tavan säädellä kemiallisia reaktionopeuksia.

Kokeissaan tutkimusryhmä laukaisi spinpolarisoidun vetyatomisuihkun ferromagneettiselle (eli luonnostaan magneettiselle) nikkelipinnalle. Pinnan suuntaisesti tai kohtisuorassa kohdistettiin ulkoinen magneettikenttä, jonka avulla ryhmä pystyi hallitsemaan vetyspinien suuntausta. Sitten he mittasivat pinnalle adsorboituneen vedyn määrän kunkin konfiguraation alla.

”Tavoitteenamme on ymmärtää, miten elektronispin vaikuttaa kemiallisiin reaktioihin”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Hirokazu Ueta. ”Tutkimalla vetyatomien ja ferromagneettisen pinnan välistä vuorovaikutusta voimme kvantitatiivisesti arvioida elektronispinin roolia näissä reaktioissa.”

Ero oli erityisen selvä matalalla vetypeitolla. Tausta-adsorptio huomioon ottaen adsorboitunut vedyn määrä, kun spin oli suunnattu yhdensuuntaisesti nikkelipinnan kanssa, oli yli seitsemän kertaa suurempi kuin silloin, kun se oli suunnattu kohtisuoraan. Ero katosi ei-magneettisella kuparilla, mikä osoittaa, että vaikutus liittyy magneettiseen nikkelipintaan.

”Nämä tulokset paljastavat, että elektronien spin on lisävapausaste, joka voi hallita atomien käyttäytymistä pintareaktioiden aikana”, selittää vanhempi kirjoittaja Katsuyuki Fukutani. ”Manipuloimalla spiniä ulkoisella magneettikentällä voimme mahdollisesti säädellä reaktioita tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia säätämällä lämpötilaa tai muita perinteisiä parametreja.”

Tutkimusryhmä selvitti myös, voisiko spin vaikuttaa kemialliseen reaktioon adsorption lisäksi. He altistavat deuteriumilla päällystetyn nikkelipinnan vetysuihkulle, mikä laukaisi abstraktioreaktion, joka muodosti vety-deuteriummolekyylejä. Reaktio eteni tehokkaammin, kun vetyspin oli suunnattu pinnan suuntaisesti, ja kahden spin-konfiguraation välinen ero kasvoi käytetyn magneettikentän voimakkuuden kasvaessa.

Tiimin kokeet osoittavat, että ulkoisesti magneettikentällä manipuloitu elektronispin on tehokas uusi vipu pintakemian hallintaan. Tämän lähestymistavan laajentaminen muihin materiaaleihin on tärkeä askel kohti käytännön spin-pohjaista kemiallisten reaktioiden hallintaa, selektiivisemmästä katalyysistä uusiin tapoihin reaktiivisuuden säätämiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Katalyyttien tehostusta spineillä ja yksittäisillä atomeilla

Keinotekoinen fotokatalyysi orgaanisella puolijohteella

Yhtenäiset monimetalliset nanopartikkelit