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on der Theorie zur Praxis: Wie führte Allen J. Bard die Revolution in der Rasterelektrochemischen Mikroskopie an
Die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) ist eine Technik zur Messung des lokalen elektrochemischen Verhaltens an Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Feststoff, zwischen Flüssigkeit und Gas sowie zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeit. Die Technologie wurde erstmals 1989 vom Elektrochemiker Allen J. Bard von der University of Texas vorläufig identifiziert. Seitdem wurde die theoretische Grundlage schrittweise verbessert, sodass die Technologie in Bereichen wie Chemie, Biologie und Materialwissenschaften weit verbreitet ist.
SECM ist in der Lage, räumlich aufgelöste elektrochemische Signale zu erfassen, indem die Spitze der Ultramikroelektrode (UME) präzise über den interessierenden Substratbereich bewegt wird. Die Interpretation von SECM-Signalen basiert auf dem Konzept des diffusionsbegrenzten Stroms. Benutzer können Informationen aus 2D-Rasterscans aggregieren, um Bilder der Oberflächenreaktivität und der chemischen Kinetik zu erstellen. Diese Technik ergänzt andere Charakterisierungsmethoden wie Oberflächenplasmonenresonanz (SPR), elektrochemische Rastertunnelmikroskopie (ESTM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) und ermöglicht eine eingehende Untersuchung verschiedener Grenzflächenphänomene.
SECM liefert nicht nur topografische Informationen, sondern wird auch häufig zur Erkennung der Oberflächenreaktivität fester Materialien, elektrokatalytischer Materialien, Enzyme und anderer biophysikalischer Systeme verwendet.
Mit dem Aufkommen elektrochemischer Nanoelektroden (UME) in den 1980er Jahren wurde die empfindliche elektrochemische Analysetechnologie SECM entwickelt. 1986 ermöglichte Engstroms erstes SECM-Experiment die direkte Beobachtung von Reaktionsprofilen und kurzlebigen Zwischenprodukten. Bald darauf zeigten Bards Experimente mit einem elektrochemischen Rastertunnelmikroskop (ESTM), dass Ströme auch bei größeren Abständen zwischen Spitze und Probe noch nachgewiesen werden konnten, was nicht mit dem Tunneln von Elektronen vereinbar war. Dieses Phänomen hängt mit Faradayschen Strömen zusammen und führte zu einer tiefergehenden Analyse der elektrochemischen Mikroskopie.
Erfrischend ist auch die theoretische Grundlage, die Bard 1989 vorschlug. Er schlug erstmals den Begriff „elektrochemisches Rastermikroskop“ vor. Durch die Demonstration der Anwendung verschiedener Feedback-Modi veranschaulicht Bard den breiten Nutzen von SECM. Mit der Entwicklung theoretischer Grundlagen ist die Zahl der SECM-bezogenen Veröffentlichungen von Jahr zu Jahr gestiegen, ausgehend von etwa 80 Artikeln im Jahr 1999. Die Popularität von SECM profitiert nicht nur von theoretischen Innovationen, sondern wird auch vom technologischen Fortschritt vorangetrieben, der die experimentellen Modi weiter ausdehnt, die Substratpalette erweitert und die Empfindlichkeit verbessert.
Funktionsprinzip
SECM untersucht Redoxpaare durch Manipulation des Potentials an der Spitze einer Ultramikroelektrode in einem Elektrolyten. Durch Anlegen eines ausreichend negativen Potentials werden (Fe3+)-Ionen an der Spitze der Ultramikroelektrode zu (Fe2+) reduziert und dadurch ein diffusionsbegrenzter Strom erzeugt.
Die aktuelle Änderung in diesem Prozess hängt mit mehreren Faktoren zusammen, darunter der Konzentration oxidierter Spezies, dem Diffusionskoeffizienten und dem Radius der Ultramikroelektrodenspitze.
SECM verfügt über zwei Hauptbetriebsmodi: den Feedback-Modus und den Sammlungsgenerierungsmodus. Im Rückkopplungsmodus nähert sich die Ultramikroelektrode dem leitfähigen Substrat und der Strom steigt. Wenn die Sonde dagegen eine isolierende Oberfläche berührt, nimmt der Strom ab, da die oxidierten Spezies nicht regeneriert werden können.
Anwendungsfelder
SECM wurde verwendet, um die Morphologie und Reaktivität von Festkörpermaterialoberflächen zu untersuchen, die Auflösungskinetik von Ionenkristallen in wässrigen Umgebungen zu verfolgen, elektrokatalytische Materialien zu untersuchen, die Aktivität von Enzymen aufzuklären und den dynamischen Transport in synthetischen und natürlichen Membranen und anderen biophysikalischen Verfahren zu untersuchen Systeme. Frühe Experimente konzentrierten sich hauptsächlich auf die Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche und lieferten eine höhere räumliche Auflösung und Empfindlichkeit als herkömmliche elektrochemische Experimente.
In den letzten Jahren wurde die SECM-Technologie verbessert, um die Dynamik des chemischen Transfers an Flüssigkeit-Flüssigkeit- und Gas-Flüssigkeit-Grenzflächen zu untersuchen.
Im Hinblick auf die Mikrostrukturierung wird SECM auch zur Herstellung, Strukturierung und Mikrostrukturierung von Oberflächen eingesetzt. Vorgänge wie die Rastersondenlithographie (SPL) können über die SECM-Konfiguration durchgeführt werden, was für die Untersuchung von Metallablagerungen, Oberflächenätzungen und Oberflächenstrukturierungsreaktionen durch Enzyme hilfreich ist. In Kombination mit elektrochemischen Eigenschaften überwindet SECM die Größenbeschränkungen herkömmlicher Mikrofabrikationsprozesse.
Zusammenfassung
Der Beitrag von Allen J. Bard zur Entwicklung des elektrochemischen Rastermikroskops ist zweifellos äußerst wichtig. Seine Forschung bietet eine unersetzliche Plattform für spätere wissenschaftliche Untersuchungen. Und was denken Sie, ob SECM angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Technologie und Theorie in Zukunft zu neuen wissenschaftlichen Entdeckungen führen kann?
