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Erforschung von Ultramikroelektroden: Warum sind sie die Zukunft der elektrochemischen Technologie?
In der heutigen elektrochemischen Technologie ist die Rasterelektrochemische Mikroskopie (SECM) wie ein stiller Beobachter, kann jedoch die subtilen Verhaltensweisen von Flüssigkeit-Feststoff-, Flüssigkeit-Gas- und Flüssigkeit-Flüssigkeit-Grenzflächen aufdecken. Seit der ersten Evaluierung der Technologie durch Allen J. Bard, einen Elektrochemiker an der University of Texas im Jahr 1989, wurde SECM nach und nach weiterentwickelt und findet breite Anwendung in der Chemie, Biologie und Materialwissenschaft. Hervorragend in der Forschung.
Der Erfolg von SECM beruht auf seiner einzigartigen Fähigkeit, elektrochemische Signale im Nanomaßstab präzise aufzuzählen.
SECM ist in der Lage, lokale elektrochemische Verhaltensdaten zu gewinnen, indem die Spitze der Ultramikroelektrode (UME) präzise über ein bestimmtes Substrat bewegt wird. Diese Daten wurden im Hinblick auf das Konzept des diffusionsbegrenzten Stroms interpretiert und verwendet, um ein Bild der Oberflächenreaktivität und chemischen Dynamik zu erstellen. Mit dieser Technologie lassen sich nicht nur Informationen zur Oberflächentopologie gewinnen, sondern auch die Oberflächenreaktivität von Systemen wie Festkörpermaterialien, Elektrokatalysatoren und Enzymen erforschen.
Geschichte
Die Einführung von Ultramikroelektroden ist der Schlüssel zur Entwicklung der SECM-Technologie. Bereits 1980 wurde mit UMEs der Grundstein für empfindliche elektroanalytische Techniken gelegt. Im Jahr 1986 führte Engstrom das erste SECM-ähnliche Experiment durch, das die direkte Beobachtung von Reaktionsprofilen und kurzlebigen Zwischenprodukten ermöglichte. Anschließend festigte Professor Bader im Jahr 1989 die theoretischen Grundlagen der Technik weiter und verwendete erstmals den Begriff „Rasterelektrochemische Mikroskopie“, um ihre Anwendung zu beschreiben.
Da sich die theoretischen Grundlagen des SECM weiterentwickelten, stieg die Zahl der jährlichen Veröffentlichungen von 10 auf etwa 80 im Jahr 1999. Im selben Jahr kam auch das erste kommerzielle SECM auf den Markt.
So funktioniert es
Das grundlegende Funktionsprinzip von SECM besteht darin, das Potenzial in einer Lösung, die ein Redoxpaar enthält, durch die UME-Spitze zu ändern. Beispielsweise wird bei einem Eisen(II)/Eisen(III)-Redoxpaar bei Anlegen eines ausreichend negativen Potentials (Fe3+) zu (Fe2+) reduziert, was zu einem diffusionsbegrenzten Strom führt. Bei der Erkennung der Zieloberfläche ändert sich mit der allmählichen Annäherung der UME-Spitze an die Oberfläche auch der gemessene Strom und es bildet sich eine entsprechende „Annäherungskurve“.
Anwendungsszenarien
SECM wird in vielen Bereichen häufig eingesetzt, beispielsweise zur topologischen und Oberflächenreaktivitätserkennung von Festkörpermaterialien, zum Screening von Elektrokatalysatoren, zur Erforschung von Enzymaktivitäten und zum dynamischen Transport synthetischer/natürlicher Membranen. Aufgrund ihrer hohen Auflösung und sofortigen Reaktion eignet sich die SECM-Technologie ideal für eingehende Studien neuartiger Materialien und biologischer Systeme.
Die SECM-Technologie kann chemische Transferdynamiken sichtbar machen, die sowohl an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff als auch an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas bisher nicht erreichbar waren, und ist zweifellos ein wichtiges Werkzeug in der modernen Chemie.
Mikrostrukturierungstechnologie
In Bezug auf die Mikrostrukturierung bietet SECM leistungsstarke Unterstützung für Oberflächenmusterung und Mikrofertigungsvorgänge. Beispielsweise kann SECM Chemikalien lokal entfernen, indem in unmittelbarer Nähe der Oberfläche ein oxidatives oder reduzierendes Potenzial angewendet wird. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass während der Mikrofabrikation Echtzeitinformationen zum elektrochemischen Verhalten der Oberfläche gewonnen werden können.
Zukunftsaussichten
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Ultramikroelektrodentechnologie wird erwartet, dass SECM in Zukunft eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung bei der Untersuchung von Quantenpunkten, Nanomaterialien und biologischen Proben bietet. Was wir erwarten können, ist, wie diese faszinierende Technologie bestehende Grenzen durchbricht und die Grenzen der elektrochemischen Forschung weiter erweitert.
