Duitse natuurkundigen van de Technische Universitaet Muenchen (TUM) bereiden zich voor op experimentele tests van bevindingen die ze hebben bereikt door theoretische overwegingen:dat elektrochemische reacties sneller plaatsvinden op geïsoleerde, elektroden op nanometerschaal dan op hun bekende macroscopische tegenhangers, en dat dit verrassende gedrag wordt veroorzaakt door thermische ruis.

Prof. Katharina Krischer en Dr. Vladimir Garcia-Morales publiceerden hun resultaten eerder dit jaar in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Het project wordt ondersteund door het TUM Institute for Advanced Study, die de nadruk legt op wetenschappelijk "risicovol" onderzoek dat potentieel kan hebben voor het creëren van nieuwe technologische gebieden.

Vertrouwde processen nemen onbekende wendingen wanneer ze worden waargenomen op nanoschaal, waar modellen die macroscopische verschijnselen nauwkeurig beschrijven mogelijk niet betrouwbaar zijn, of zelfs van toepassing. Elektrochemische reacties, bijvoorbeeld, die normaal gesproken soepel lijken te verlopen, lijken te stoppen en te struikelen in de nanowereld. Wanneer de betrokken elektroden minder dan tien nanometer breed zijn, toeval speelt een grotere rol:willekeurige beweging van moleculen maakt de exacte timing van reacties onvoorspelbaar.

Nutsvoorzieningen, echter, zo'n proces kan worden beschreven door een theoretisch model dat is ontwikkeld door de TUM-natuurkundigen. Ze demonstreerden hun methode in een onderzoek naar reacties op nanoschaal, gepubliceerd in PNAS , die een nieuwe elektrochemische "hoofdvergelijking" presenteerde die ten grondslag lag aan het model. Hun resultaten laten zien dat thermische ruis - dat wil zeggen, de willekeur van moleculaire beweging en individuele elektronenoverdrachtsreacties -- speelt eigenlijk een constructieve rol in een elektrochemisch systeem op nanoschaal, reactiesnelheid verhogen.

"Het voorspelde effect is robuust, " zegt Dr. Vladimir Garcia-Morales, onlangs benoemd tot Carl von Linde Junior Fellow van het TUM Institute for Advanced Study, "en het zou in veel experimentele situaties moeten verschijnen." Om het zelf te zien, de onderzoekers hebben hun aandacht verlegd van het bord en de computer naar de labbank. Hun experimenten brengen verschillende technische uitdagingen met zich mee. Een daarvan is niet alleen schijfvormige elektroden te vervaardigen met een straal van slechts drie tot tien nanometer, maar ook om het elektrodegebied nauwkeurig te bepalen. Een andere zware eis is het instellen van de elektronica om ruis van externe bronnen te minimaliseren, om ervoor te zorgen dat de invloed van interne, moleculaire ruis kan worden waargenomen.

“Een belangrijk aspect, " Dr. Garcia-Morales zegt, "is dat het gerapporteerde effect onze kijk op de collectieve eigenschappen van veel elektroden kan veranderen. Algemene intuïtie suggereert dat als men het elektrodenoppervlak tien keer zo groot maakt, de stroom zou tien keer zo hoog zijn. Maar, zoals we laten zien met onze theorie, de evenredigheid gaat niet meer op wanneer de elektrode-afmeting zo klein wordt als enkele nanometers."

Experimentele validatie zou ook kunnen helpen om de theorie van de TUM-onderzoekers te transponeren naar verschillende situaties. Ze zeggen dat hun methode rekening houdt met effecten die macroscopische modellen niet kunnen verklaren en die nuttig kunnen zijn bij het beantwoorden van een verscheidenheid aan onderzoeksvragen. "De toepasbaarheid van de elektrochemische hoofdvergelijking gaat in feite verder dan het specifieke probleem dat in de publicatie wordt behandeld, " Prof. Katharina Krischer benadrukt. "Het stelt een algemeen kader vast voor stochastische processen waarbij elektronenoverdrachtsreacties betrokken zijn. Bijvoorbeeld, we gebruiken het nu om de kwaliteit van elektrochemische klokken op nanoschaal te voorspellen."