Tyska fysiker vid Technische Universitaet Muenchen (TUM) förbereder sig för experimentella tester av fynd de kommit fram till genom teoretiska överväganden:att elektrokemiska reaktioner sker snabbare på isolerade, nanometerskaliga elektroder än på deras välbekanta makroskopiska motsvarigheter, och att detta överraskande beteende orsakas av termiskt brus.
Prof. Katharina Krischer och Dr. Vladimir Garcia-Morales publicerade sina resultat tidigare i år i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Projektet stöds av TUM Institute for Advanced Study, som betonar vetenskapligt "riskfylld" forskning som kan ha potential att skapa nya teknikområden.
Bekanta processer tar obekanta vändningar när de observeras på nanoskala, där modeller som exakt beskriver makroskopiska fenomen kanske inte är tillförlitliga, eller till och med tillämpligt. Elektrokemiska reaktioner, till exempel, som normalt verkar gå smidigt, verkar stanna och snubbla i nanovärlden. När de involverade elektroderna är mindre än tio nanometer breda, slumpen spelar en större roll:Slumpmässig rörelse av molekyler gör den exakta tidpunkten för reaktioner oförutsägbar.
Nu, dock, just en sådan process kan beskrivas av en teoretisk modell utvecklad av TUM-fysikerna. De demonstrerade sin metod i en studie av reaktioner i nanoskala, publiceras i PNAS , som presenterade en ny elektrokemisk "masterekvation" som ligger till grund för modellen. Deras resultat visar att termiskt brus -- dvs. slumpmässigheten i molekylär rörelse och individuella elektronöverföringsreaktioner -- spelar faktiskt en konstruktiv roll i ett elektrokemiskt system i nanoskala, öka reaktionshastigheten.
"Den förutspådda effekten är robust, " säger Dr Vladimir Garcia-Morales, nyligen utnämnd till Carl von Linde Junior Fellow vid TUM Institute for Advanced Study, "och det borde dyka upp i många experimentella situationer." För att se själva, forskarna har vänt sin uppmärksamhet från tavlan och datorn till labbbänken. Deras experiment innebär flera tekniska utmaningar. En är inte bara att tillverka skivformade elektroder med en radie på bara tre till tio nanometer, men också för att exakt bestämma elektrodarean. Ett annat tufft krav är att ställa in elektroniken för att minimera brus från externa källor, för att säkerställa påverkan av inre, molekylärt brus kan observeras.
"En viktig aspekt, " Dr Garcia-Morales säger, "är att den rapporterade effekten kan förändra vår syn på de samlade egenskaperna hos många elektroder. Vanlig intuition tyder på att om man gör elektrodytan tio gånger så stor, strömmen skulle vara tio gånger så hög. Men, som vi visar med vår teori, proportionaliteten håller inte längre när elektroddimensionen blir så liten som några nanometer."
Experimentell validering skulle också kunna bidra till att överföra TUM-forskarnas teori till en mängd olika situationer. De säger att deras metod står för effekter som makroskopiska modeller inte kan förklara och kan visa sig användbara för att ta itu med en mängd olika forskningsfrågor. "Tillämpligheten av den elektrokemiska masterekvationen är i själva verket bortom det specifika problem som tas upp i publikationen, " Prof. Katharina Krischer betonar. "Det upprättar ett allmänt ramverk för stokastiska processer som involverar elektronöverföringsreaktioner. Till exempel, vi använder det nu för att förutsäga kvaliteten på elektrokemiska klockor på nanoskala."
