Нові дослідження оксиду заліза Fe3O4 дозволили по-новому поглянути на природу каталітичних властивостей поверхні.
Каталізатори - речовини, що прискорюють хімічні реакції. Особливу важливість вони мають для хімічної промисловості, де навіть незначне збільшення швидкості процесу дозволяє заощадити величезну кількість ресурсів. Розробка каталізатора - надзвичайно складний процес, оскільки неможливо заздалегідь передбачити, чи буде конкретна речовина прискорювати конкретну реакцію, і якщо так, то наскільки ефективно. Каталітичні властивості матеріалів безпосередньо залежать від їх будови, тому вивчення структури проливає світло на те, як відбувається хімічна реакція.
Багато каталізаторів робляться на основі оксидів заліза. Всі ми знаємо, як виглядає окислене залізо - це іржа, яка утворюється на поверхні металу при контакті з киснем у присутності води. До її складу входить змішаний оксид формулою Fe3O4. Атоми кисню утворюють октаедричні та тетраедричні порожнечі в кристалічній решітці, всередині яких розміщуються двох- і тривалентні атоми Fe. (До речі, від розподілу різновалентних атомів заліза по кисневих октаедрах і тетраедрах залежать різні магнітні властивості речовини.)
У випадку каталізатора нас в першу чергу цікавить його поверхня, адже саме на ній йде хімічна реакція. Активними центрами тут можуть виступати дефекти структури або «чужі» атоми, що не входять до складу кристала. Існує величезна кількість каталізаторів, в яких на поверхні Fe3O4 адсорбовані атоми таких металів, як золото, срібло, паладій. При цьому вони не злипаються на його поверхні у великі наночастинки (подібно до того, як краплі води на жирній поверхні зливаються одну велику краплю), а залишаються сидіти на ній порізно. Ця унікальна властивість оксиду заліза довгий час залишалася загадкою, поки дослідники з Віденського технологічного університету не з'ясували, в чому тут справа.
Ключем до розгадки виявилися атоми заліза, точніше, їх відсутність. У більшості випадків у структурі оксидів металів існують дефекти, пов'язані з вакансіями на місці атомів кисню в решітці. Такі вакантні місця стають активними центрами речовини. У випадку з Fe3O4 все виявилося з точністю до навпаки: вакансії були утворені атомами заліза, і активні центри розташовувалися над порожніми місцями. Теоретична модель такого поверхневого шару була підтверджена експериментом з дифракції низькоенергетичних електронів (LEED). Такі порожні місця суворо впорядковані на поверхні оксиду, і саме з ними зв'язуються «чужі» атоми (наприклад, атоми золота). І разом такі атоми не злипаються тому, що сувора впорядкованість вакансій перешкоджає їх об'єднанню в кластери і робить каталізатор вкрай ефективним.