Hopean hapettumisen salat selvitetty

Metallipinnan hapettuminen on ilmiönä jokaiselle tuttu. Kaikki ovat nähneet vihreitä kuparikattoja, tummuneita hopealusikoita, harmaata alumiinia ja ruostunutta rautaa. Harvempi on kuitenkaan pysähtynyt miettimään, miten tämä ilmiö tarkkaan ottaen tapahtuu, ja miksi eri metallit näyttävät hapettuneina niin erilaisilta. On myös hieman yllättävää, että pitkään jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta tiedekään ei ole onnistunut selvittämään tämän arkipäiväisen tuntuisen ilmiön kaikkia yksityiskohtia.

Lähtökohta on kuitenkin selkeä: on olemassa puhdas, hapettumaton metallipinta ja ilma, jossa on happimolekyylejä. Pinnalle tultuaan happimolekyylit hajoavat, ja ennen pitkää muodostuu hapettunut kerros eli oksidi, joka alkuperäisestä metallista riippuen on ohut tai paksu. Joissain tapauksissa tämä kerros alkaa hylkiä happea, jolloin pinta ei enää kykene hapettumaan syvemmälle. Tähän perustuu muun muassa alumiinin ja ruostumattoman teräksen korroosionkestävyys. Puhtaan ja kokonaan hapettuneen pinnan väliin mahtuu kuitenkin joukko mielenkiintoisia metallin ja hapen muodostamia rakenteita, jotka voivat muistuttaa esimerkiksi perhosta, salmiakkikarkkia tai kukan terälehtiä. Rakenteen yksityiskohdat riippuvat paitsi siitä, mikä metalli on kyseessä, myös hapen määrästä, lämpötilasta jne.

Kansainvälinen tutkimusryhmä, johon kuuluu jäseniä Genovan yliopistosta Italiasta, University of Central Floridasta Yhdysvalloista ja teoreettisen fysiikan professori Matti Alatalo Oulun yliopistosta, on selvittänyt, miten hapettuminen etenee hopean pinnalla. Tunnelointimikroskooppimittaukset ja kvanttimekaaniset laskut paljastavat, että hajoava happimolekyyli syrjäyttää pintakerroksessa olevan hopea-atomin eli se ikään kuin kaivaa itselleen kuopan, josta hapettuminen lähtee liikkeelle. Aiemmin on oletettu, että hapettuneiden rakenteiden muodostuminen vaatisi pinnalla olevia askelmia, joiden reuna-atomit kulkeutuvat happiatomien läheisyyteen. Nyt tehty havainto selittää myös esimerkiksi sen, miksi pinnan heijastavuus tietyssä lämpötilassa muuttuu: satunnaisissa paikoissa hajonneet happimolekyylit saavat aikaan sen, että hapettuneita rakenteita on siellä täällä epäjärjestyksessä, mikä vähentää heijastavuutta.

Hopeapinnan hapettumisella on mummon lusikkakokoelmaa laajempaakin merkitystä. Hopea on kemianteollisuudessa yleisesti käytetty katalyytti, jonka avulla valmistetaan mm. etyleenioksidia, jota käytetään lukuisien tuotteiden raaka-aineena ja sellaisenaan esimerkiksi sairaalavälineiden desinfioinnissa. Hapettuminen on katalyysin kannalta tärkeä ilmiö, ja useissa tapauksissa juuri hapettunut pinta toimii katalyyttinä. Hapettumisen tarkka ymmärtäminen auttaa suunnittelemaan tulevaisuudessa entistä parempia katalyyttejä.

Hopean hapettumista käsittelevä artikkeli julkaistiin johtavassa fysiikan yleisjulkaisusarjassa Physical Review Letters (linkki tiedotteen liitteenä).