Test af forudsigelser i elektrokemiske nanosystemer

Tyske fysikere ved Technische Universitaet Muenchen (TUM) forbereder sig på eksperimentelle test af resultater, de er nået frem til gennem teoretiske overvejelser:at elektrokemiske reaktioner finder sted hurtigere på isolerede, nanometerskala elektroder end på deres velkendte makroskopiske modstykker, og at denne overraskende adfærd er forårsaget af termisk støj.

Prof. Katharina Krischer og Dr. Vladimir Garcia-Morales offentliggjorde deres resultater tidligere på året i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Projektet er støttet af TUM Institute for Advanced Study, som lægger vægt på videnskabeligt "risikofyldt" forskning, der kan have potentiale til at skabe nye teknologifelter.

Kendte processer tager ukendte drejninger, når de observeres på nanoskalaen, hvor modeller, der præcist beskriver makroskopiske fænomener, måske ikke er pålidelige, eller endda anvendelig. Elektrokemiske reaktioner, for eksempel, som normalt ser ud til at forløbe glat, synes at stoppe og snuble i nanoverdenen. Når de involverede elektroder er mindre end ti nanometer brede, Tilfældighed spiller en større rolle:Tilfældig bevægelse af molekyler gør den nøjagtige timing af reaktioner uforudsigelig.

Nu, imidlertid, netop sådan en proces kan beskrives af en teoretisk model udviklet af TUM-fysikerne. De demonstrerede deres metode i en undersøgelse af reaktioner på nanoskala, udgivet i PNAS , som præsenterede en ny elektrokemisk "masterligning", der ligger til grund for modellen. Deres resultater viser, at termisk støj -- dvs. tilfældigheden af ​​molekylær bevægelse og individuelle elektronoverførselsreaktioner - spiller faktisk en konstruktiv rolle i et elektrokemisk system på nanoskala, øge reaktionshastigheden.

"Den forudsagte effekt er robust, " siger Dr. Vladimir Garcia-Morales, for nylig udnævnt til Carl von Linde Junior Fellow fra TUM Institute for Advanced Study, "og det burde dukke op i mange eksperimentelle situationer." For at se selv, forskerne har vendt deres opmærksomhed fra tavlen og computeren til laboratoriebænken. Deres eksperimenter giver flere tekniske udfordringer. Den ene er ikke kun at fremstille skiveformede elektroder med en radius på kun tre til ti nanometer, men også for at bestemme elektrodearealet nøjagtigt. Et andet hårdt krav er opsætning af elektronikken for at minimere støj fra eksterne kilder, for at sikre indflydelsen fra indre, molekylær støj kan observeres.

"Et vigtigt aspekt, " Dr. Garcia-Morales siger, "er, at den rapporterede effekt kan ændre vores syn på de kollektive egenskaber af mange elektroder. Almindelig intuition tyder på, at hvis man gør elektrodearealet ti gange så stort, strømmen ville være ti gange så høj. Men, som vi viser med vores teori, proportionaliteten holder ikke længere, når elektrodedimensionen bliver så lille som et par nanometer."

Eksperimentel validering kunne også hjælpe med at omsætte TUM-forskernes teori til en række forskellige situationer. De siger, at deres metode tegner sig for effekter, som makroskopiske modeller ikke kan forklare og kan vise sig nyttige til at løse en række forskningsspørgsmål. "Anvendeligheden af ​​den elektrokemiske hovedligning er faktisk ud over det specifikke problem, der behandles i publikationen, " Prof. Katharina Krischer understreger. "Det etablerer en generel ramme for stokastiske processer, der involverer elektronoverførselsreaktioner. For eksempel, vi bruger det nu til at forudsige kvaliteten af ​​elektrokemiske ure på nanoskala."