Fysiksteamet undersøger indflydelse af ioner på atombevægelser

I batterier, brændselsceller eller tekniske belægninger centrale kemiske processer finder sted på overfladen af ​​elektroder, der er i kontakt med væsker. Under disse processer, atomer bevæger sig over overfladen, men hvordan dette præcist sker, er næppe blevet undersøgt. Fysikere ved Kiel University ønsker at få en bedre forståelse af disse bevægelser, og de involverede kemiske komponenters rolle. For at gøre det, de observerer med den højeste mikroskopiske opløsning, hvordan svovlatomer bevæger sig på kobberelektroder, som er nedsænket i forskellige saltopløsninger. Mikroskopiske videooptagelser viste, at disse bevægelser styres af ioner, fastgjort til overfladen af ​​elektroden. Disse fund kan hjælpe med at kontrollere sådanne bevægelsesprocesser præcist, for eksempel at optimere belægningsprocesser i mikroelektronikindustrien. Resultaterne af denne undersøgelse er offentliggjort i det aktuelle nummer af det anerkendte videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie .

Processer ved grænseflader ligner en fodboldkamp på et stadion:holdet på banen skal score målene, men tilskuernes støtte har sandsynligvis også indflydelse på spillets gang. "Ioner eller molekyler, der fastgøres til en overflade, kan have en afgørende indflydelse på reaktioner, der opstår der, selvom de ikke er direkte involveret, "sagde professor Olaf Magnussen, leder af Interface Physics Group ved Institute of Experimental and Applied Physics. I kemi, disse atomer er kendt som "tilskuerarter". Imidlertid, den nøjagtige indflydelse af sådanne atomiske "tilskuere" på reaktioner ved grænseflader er, i de fleste tilfælde, kun delvist kendt. Yderligere viden kan hjælpe med at kontrollere disse processer bedre.

I deres eksperiment, forskergruppen undersøgte kobberelektroder i saltopløsninger, indeholdende enten chlor- eller bromioner. Disse ioner akkumulerede som "tilskuere" på kobberoverfladen. Forskerne tilføjede derefter små mængder svovlatomer, og observerede deres termiske bevægelse på overfladen af ​​elektroden. For at gøre det, de brugte et specielt scanningstunnelmikroskop, som kan gøre enkelte atomer synlige - selv i saltopløsninger. Da dette kun virker ved temperaturer over frysepunktet, bevæger atomerne sig relativt hurtigt, de mikroskopiske billeder skal således tages på kort tid.

I scanningstunnelmikroskopet, en lille metalspids scanner elektroden, og derved skaber et billede af dens overflade. Standardinstrumenter kan tage et billede i minuttet. Over flere år, arbejdsgruppen i Kiel videreudviklede deres mikroskop, så deres instrument kan generere op til 20 billeder i sekundet. Med dette verdensomspændende unikke instrument, det er muligt at fange i en video, hvordan atomer bevæger sig på en overflade.

De resulterende optagelser overraskede forskergruppen:i begge saltopløsninger, svovlatomernes hastighed var stærkt påvirket af spændingen påført elektroden. Selv en stigning på kun 1/10 af en volt fik dem til at bevæge sig ti gange hurtigere. Imidlertid, højere spænding fik svovlatomerne til at bevæge sig langsommere på overfladen med chloridioner, men hurtigere på overfladen dækket med bromid. "Chlorid og bromid er kemisk meget ens - vi havde ikke forventet denne anderledes adfærd, "sagde Björn Rahn, som gennemførte disse undersøgelser som en del af sin doktorafhandling under tilsyn af Magnussen.

Ledetråde til en forklaring på disse forskellige observationer blev givet ved computersimuleringer, produceret af arbejdsgruppen for professor Eckhard Pehlke fra Institute of Theoretical Physics and Astrophysics. "Svovlatomer opfører sig så forskelligt på overflader med chlorid- og bromidioner, fordi de to ioner udløser forskellige bevægelsesmekanismer, sagde Pehlke, at forklare sit teams beregninger.

Mens svovlatomer i nærvær af chloridioner kun bevæger sig på overfladen, tyder beregningerne for overfladen med bromidioner på, at svovlatomer kortvarigt dypper ned i metaloverfladen, mens de ændrer deres position.

Computersimuleringerne bekræfter, at bromid- og chloridionerne på overfladen er mere end bare passive tilskuere, og i stedet direkte påvirke de kemiske processer. Disse grundlæggende forskningsresultater hjælper ikke kun med at få en bedre forståelse af elementære processer ved grænseflader. "Vores resultater er også et første skridt i retning af bedre at kontrollere sådanne elektrokemiske processer, sagde Magnussen, ser frem til.