I batterier, bränsleceller eller tekniska beläggningar, centrala kemiska processer sker på ytan av elektroder som är i kontakt med vätskor. Under dessa processer, atomer rör sig över ytan, men hur detta exakt sker har knappast forskats. Fysiker vid Kiel University vill få en bättre förståelse för dessa rörelser, och rollen för de inblandade kemiska komponenterna. Att göra så, de observerar med högsta mikroskopiska upplösning hur svavelatomer rör sig på kopparelektroder, som är nedsänkta i olika saltlösningar. Mikroskopiska videoinspelningar visade att dessa rörelser styrs av joner, fäst vid elektrodens yta. Dessa fynd kan hjälpa till att styra sådana rörelseprocesser exakt, till exempel för att optimera beläggningsprocesser inom mikroelektronikindustrin. Resultaten av denna studie publiceras i det aktuella numret av den berömda vetenskapliga tidskriften Angewandte Chemie .

Processer vid gränssnitt liknar en fotbollsmatch på en stadion:laget på planen måste göra mål, men åskådarnas stöd har förmodligen också inflytande på spelets gång. "Joner eller molekyler som fäster vid en yta, kan ha ett avgörande inflytande på reaktioner som uppstår där, även om de inte är direkt inblandade, "sade professor Olaf Magnussen, chef för Interface Physics Group vid Institute of Experimental and Applied Physics. Inom kemi, dessa atomer är kända som "åskådararter". Dock, det exakta inflytandet av sådana atomiska "åskådare" på reaktioner vid gränssnitt är, i de flesta fallen, bara delvis känd. Ytterligare kunskap kan hjälpa till att kontrollera dessa processer bättre.

I deras experiment, forskargruppen undersökte kopparelektroder i saltlösning, innehållande antingen klor- eller bromjoner. Dessa joner ackumulerades som "åskådare" på kopparytan. Forskarna tillsatte sedan små mängder svavelatomer, och observerade deras termiska rörelse på elektrodens yta. Att göra så, de använde ett speciellt skanningstunnelmikroskop, som kan göra enstaka atomer synliga - även i saltlösning. Eftersom detta bara fungerar vid temperaturer över fryspunkten rör sig atomerna relativt snabbt, de mikroskopiska bilderna måste alltså tas på kort tid.

I skanningstunnelmikroskopet, en liten metallspets skannar elektroden, och därigenom skapar en bild av dess yta. Standardinstrument kan ta en bild per minut. Under flera år, arbetsgruppen i Kiel vidareutvecklade sitt mikroskop så att deras instrument kan generera upp till 20 bilder per sekund. Med detta världsomspännande unika instrument, det är möjligt att fånga i en video hur atomer rör sig på en yta.

De resulterande inspelningarna överraskade forskargruppen:i båda saltlösningar, svavelatomernas hastighet påverkades starkt av spänningen som applicerades på elektroden. Även en ökning med bara 1/10 av en volt fick dem att röra sig tio gånger snabbare. Dock, högre spänning fick svavelatomerna att röra sig långsammare på ytan med kloridjoner, men snabbare på ytan täckt med bromid. "Klorid och bromid är kemiskt mycket lika - vi hade inte förväntat oss detta annorlunda beteende, sa Björn Rahn, som genomförde dessa undersökningar som en del av sin doktorsavhandling som handleddes av Magnussen.

Ledtrådar till en förklaring till dessa olika observationer gavs av datasimuleringar, producerad av arbetsgruppen för professor Eckhard Pehlke från Institute of Theoretical Physics and Astrophysics. "Svavelatomer beter sig så olika på ytor med klorid- och bromidjoner, eftersom de två jonerna utlöser olika rörelsemekanismer, sa Pehlke, för att förklara sitt lags beräkningar.

Medan svavelatomer i närvaro av kloridjoner bara rör sig på ytan tyder beräkningarna för ytan med bromidjoner på att svavelatomer doppar kort in i metallytan medan de ändrar sina positioner.

Datorsimuleringarna bekräftar att bromid- och kloridjonerna på ytan är mer än bara passiva åskådare, och istället direkt påverka de kemiska processerna. Dessa grundläggande forskningsresultat hjälper inte bara till att få en bättre förståelse av elementära processer vid gränssnitt. "Våra resultat är också ett första steg mot bättre kontroll av sådana elektrokemiska processer, "sa Magnussen, blickar framåt.