Австрийские ученые обнаружили неожиданное поведение гидроксильной группы на поверхности перовскитного материала, демонстрирующее границы применимости химии поверхностей. Работа опубликована в Nature Materials.

Команда австрийских ученых из технического университета Вены изучила адсорбцию воды на поверхности перовскитного материала при помощи фотоэлектронной спектроскопии и низкотемпературного туннельного микроскопирования и обнаружила неожиданное поведение гидроксильной группы. Для экспериментов ученые использовали искусственно выращенный монокристалл рутената стронция (материал, структурно принадлежащий к перовскитам, формула Sr_n+1Ru_nO_3n+1 (n = 1, 2) со структурой Раддлесдена-Поппера (то есть состоящий из суммы структур поваренной соли и перовскитных блоков). Ученые раскололи рутенат стронция по плоскостям SrO, получив таким образом почти идеальные ровные поверхности, составленные только из атомов стронция и кислорода.

Строение кристаллической решетки перовскитного материала. Изображение: Martin Green / Nature Photonics

Попадая на подобную поверхность, вода диссоциирует: атом водорода отрывается от молекулы H₂O и присоединяется к атому кислорода кристаллической решетки. При этом несмотря на то, что водород и гидроксильная группа физически оказываются разделенными, между ними возникает слабая водородная связь — то есть они продолжают взаимодействовать.

Это вызывает любопытный эффект: гидроксильная группа (OH) не может двигаться свободно и кружит вокруг атома водорода. Причем происходит это только при условии, что слой воды очень тонок — в противном случае адсорбция воды происходит уже на молекулярном уровне (то есть молекула H₂O не разделяется, но заполняет молекулярные промежутки в материале).

Реконструкция движения гидроксильной группы на поверхности рутената стронция. Изображение: TU Wien

По словам ученых, подобный процесс теоретически был предсказан несколько лет назад, но наблюдать его in situ удалось впервые. Опыты австрийских ученых не только подтверждают специфические свойства пероксидных материалов, но также дают расширенные представления о химии поверхностей. 

Перовскит — относительно редкий для Земли минерал титанат кальция (CaTiO₃), известный своей кристаллической решеткой. Атомы титана в перовските расположены в узлах слабо искаженной кубической решётки. В центрах псевдокубов располагаются атомы кальция. Атомы кислорода образуют вокруг атомов титана практически правильные октаэдры, которые немного развернуты и наклонены относительно идеальных положений. К группе перовскита относятся сложные оксиды, кристаллизующиеся в структурном типе перовскита, характеризующиеся общей формулой ABO₃. Структурой перовскита (или производной от него) обладают высокотемпературные сверхпроводники, ионные проводники, а также многие магнитные и сегнетоэлектрические материалы. Журнал Science включил перовскит в топ-10 прорывов 2013 года, подразумевая возможность использования его в солнечной энергетике. 

Автор: Александра Стуккей