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De la théorie à la pratique : comment Allen J. Bard a-t-il mené la révolution de la microscopie électrochimique à balayage
La microscopie électrochimique à balayage (SECM) est une technique utilisée pour mesurer le comportement électrochimique local aux interfaces liquide/solide, liquide/gaz et liquide/liquide. La technologie a été provisoirement identifiée pour la première fois en 1989 par l'électrochimiste Allen J. Bard de l'Université du Texas. Depuis lors, les fondements théoriques ont été progressivement améliorés, rendant la technologie largement utilisée dans des domaines tels que la chimie, la biologie et la science des matériaux.
SECM est capable d'acquérir des signaux électrochimiques résolus spatialement en déplaçant avec précision la pointe de l'ultramicroélectrode (UME) sur la région d'intérêt du substrat. L'interprétation des signaux SECM est basée sur le concept de courant limité en diffusion. Les utilisateurs peuvent regrouper les informations des analyses raster 2D pour générer des images de la réactivité de surface et de la cinétique chimique. Cette technique complète d'autres méthodes de caractérisation telles que la résonance plasmonique de surface (SPR), la microscopie électrochimique à effet tunnel (ESTM) et la microscopie à force atomique (AFM), permettant une exploration approfondie des différents phénomènes d'interface.
Le SECM fournit non seulement des informations topographiques, mais est également souvent utilisé pour détecter la réactivité de surface de matériaux solides, de matériaux électrocatalytiques, d'enzymes et d'autres systèmes biophysiques.
Avec l’émergence des nanoélectrodes électrochimiques (UME) dans les années 1980, la technologie d’analyse électrochimique sensible du SECM a été développée. En 1986, la première expérience de type SECM d'Engstrom a permis l'observation directe des profils de réaction et des intermédiaires à courte durée de vie. Peu de temps après, les expériences de Bard utilisant un microscope électrochimique à effet tunnel (ESTM) ont montré que les courants pouvaient toujours être détectés à des distances pointe-échantillon plus grandes, ce qui était incompatible avec l'effet tunnel électronique. Ce phénomène est lié aux courants faradaïques et a incité à une analyse plus approfondie de la microscopie électrochimique.
La base théorique proposée par Bard en 1989 est également rafraîchissante. Il a été le premier à proposer le terme « microscope électrochimique à balayage ». En démontrant l'application de divers modes de rétroaction, Bard illustre la large utilité du SECM. Avec le développement des fondements théoriques, le nombre de publications liées au SECM a augmenté d'année en année, passant progressivement d'environ 80 articles en 1999. La popularité du SECM bénéficie non seulement de l’innovation théorique, mais également du progrès technologique, qui élargit encore les modes expérimentaux, élargit la gamme de substrats et améliore la sensibilité.
Principe de fonctionnement
SECM étudie les paires redox en manipulant le potentiel à la pointe d'une ultramicroélectrode dans un électrolyte. En appliquant un potentiel suffisamment négatif, les ions (Fe3+) sont réduits en (Fe2+) à la pointe de l'ultramicroélectrode, générant ainsi un courant limité par la diffusion.
Le changement actuel dans ce processus est lié à plusieurs facteurs, notamment la concentration d'espèces oxydées, le coefficient de diffusion et le rayon de la pointe de l'ultramicroélectrode.
SECM a deux modes de fonctionnement principaux : le mode feedback et le mode collecte-génération. En mode feedback, l'ultramicroélectrode se rapproche du substrat conducteur et le courant augmente. En revanche, lorsque la sonde entre en contact avec une surface isolante, le courant va diminuer car les espèces oxydées ne peuvent pas être régénérées.
Champs de candidature
Le SECM a été utilisé pour sonder la morphologie et la réactivité des surfaces de matériaux à l'état solide, suivre la cinétique de dissolution des cristaux ioniques dans des environnements aqueux, filtrer les matériaux électrocatalytiques, élucider l'activité des enzymes et étudier le transport dynamique dans les membranes synthétiques et naturelles et autres biophysiques. systèmes. Les premières expériences se concentraient principalement sur l’interface solide-liquide et offraient une résolution spatiale et une sensibilité plus élevées que les expériences électrochimiques traditionnelles.
Ces dernières années, la technologie SECM a été améliorée pour explorer la dynamique des transferts chimiques aux interfaces liquide-liquide et gaz-liquide.
En termes de microstructuration, le SECM est également utilisé pour la fabrication, le modelage et la microstructuration de surfaces. Des opérations telles que la lithographie par sonde à balayage (SPL) peuvent être effectuées via la configuration SECM, ce qui est utile pour étudier les réactions de dépôt de métal, de gravure de surface et de structuration de surface via des enzymes. Combiné aux propriétés électrochimiques, le SECM surmonte les limitations de taille des processus de microfabrication conventionnels.
Résumé
La contribution d'Allen J. Bard au développement du microscope électrochimique à balayage est sans aucun doute extrêmement importante. Ses recherches constituent une plateforme irremplaçable pour une exploration scientifique ultérieure. Et avec les progrès continus de la technologie et de la théorie, qu’en pensez-vous, si le SECM peut conduire à de nouvelles découvertes scientifiques à l’avenir ?
