Bij batterijen, brandstofcellen of technische coatings, centrale chemische processen vinden plaats op het oppervlak van elektroden die in contact staan ​​met vloeistoffen. Tijdens deze processen, atomen bewegen over het oppervlak, maar hoe dit precies gebeurt, is nauwelijks onderzocht. Natuurkundigen van Kiel University willen deze bewegingen beter begrijpen, en de rol van de betrokken chemische componenten. Om dit te doen, ze observeren met de hoogste microscopische resolutie hoe zwavelatomen bewegen op koperelektroden, die zijn ondergedompeld in verschillende zoutoplossingen. Microscopische video-opnames toonden aan dat deze bewegingen worden aangestuurd door ionen, bevestigd aan het oppervlak van de elektrode. Deze bevindingen kunnen helpen om dergelijke bewegingsprocessen nauwkeurig te beheersen, bijvoorbeeld om coatingprocessen in de micro-elektronica-industrie te optimaliseren. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het huidige nummer van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie .

Processen op interfaces zijn vergelijkbaar met een voetbalwedstrijd in een stadion:het team op het veld moet de doelpunten maken, maar de steun van de toeschouwers heeft waarschijnlijk ook invloed op het verloop van het spel. "Ionen of moleculen die zich hechten aan een oppervlak, kan een beslissende invloed hebben op de reacties die daar optreden, ook als ze er niet direct bij betrokken zijn, " zei professor Olaf Magnussen, hoofd van de Interface Physics Group aan het Institute of Experimental and Applied Physics. In de chemie, deze atomen staan ​​bekend als "toeschouwersspecies". Echter, de exacte invloed van dergelijke atomaire "toeschouwers" op reacties op grensvlakken is, in de meeste gevallen, slechts gedeeltelijk bekend. Verdere kennis zou kunnen helpen om deze processen beter te beheersen.

In hun experiment hebben de onderzoeksgroep onderzocht koperelektroden in zoutoplossingen, bevattende chloor- of broomionen. Deze ionen verzamelden zich als "toeschouwers" op het koperoppervlak. De onderzoekers voegden vervolgens kleine hoeveelheden zwavelatomen toe, en observeerden hun thermische beweging op het oppervlak van de elektrode. Om dit te doen, ze gebruikten een speciale scanning tunneling microscoop, die afzonderlijke atomen zichtbaar kunnen maken - zelfs in zoutoplossingen. Omdat dit alleen werkt bij temperaturen boven het vriespunt bewegen de atomen relatief snel, de microscopische foto's moeten dus in korte tijd gemaakt worden.

In de scanning tunneling microscoop, een kleine metalen punt scant de elektrode, en creëert daardoor een beeld van zijn oppervlak. Standaardinstrumenten kunnen één opname per minuut maken. Over meerdere jaren, de Kiel-werkgroep heeft hun microscoop verder ontwikkeld, zodat hun instrument tot 20 beelden per seconde kan genereren. Met dit wereldwijd unieke instrument, het is mogelijk om in een video vast te leggen hoe atomen op een oppervlak bewegen.

De resulterende opnames verrasten het onderzoeksteam:in beide zoutoplossingen, de snelheid van de zwavelatomen werd sterk beïnvloed door de spanning die op de elektrode werd aangelegd. Zelfs een toename van slechts 1/10 van een volt zorgde ervoor dat ze tien keer sneller gingen. Echter, hogere spanning zorgde ervoor dat de zwavelatomen langzamer op het oppervlak bewegen met chloride-ionen, maar sneller op het met bromide bedekte oppervlak. "Chloride en bromide lijken chemisch erg op elkaar - we hadden dit andere gedrag niet verwacht, " zei Björn Rahn, die deze onderzoeken uitvoerde in het kader van zijn proefschrift onder supervisie van Magnussen.

Aanwijzingen voor een verklaring voor deze verschillende waarnemingen werden geleverd door computersimulaties, geproduceerd door de werkgroep van professor Eckhard Pehlke van het Institute of Theoretical Physics and Astrophysics. "Zwavelatomen gedragen zich zo anders op oppervlakken met chloride- en bromide-ionen, omdat de twee ionen verschillende bewegingsmechanismen activeren, " zei Pehlke, om de berekeningen van zijn team uit te leggen.

Terwijl zwavelatomen in aanwezigheid van chloride-ionen alleen op het oppervlak bewegen, suggereren de berekeningen voor het oppervlak met bromide-ionen dat zwavelatomen kort in het metaaloppervlak duiken terwijl ze van positie veranderen.

De computersimulaties bevestigen dat de bromide- en chloride-ionen op het oppervlak meer zijn dan alleen passieve toeschouwers, en in plaats daarvan rechtstreeks de chemische processen beïnvloeden. Deze fundamentele onderzoeksresultaten helpen niet alleen om elementaire processen op raakvlakken beter te begrijpen. "Onze resultaten zijn ook een eerste stap naar een betere beheersing van dergelijke elektrochemische processen, zei Magnussen, vooruit kijken.