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Il meraviglioso mondo della microscopia elettrochimica a scansione: alla scoperta dei segreti dell'interfaccia liquido-solido?
La microscopia elettrochimica a scansione (SECM) è una tecnica innovativa utilizzata nell'ampia categoria della microscopia a sonda a scansione (SPM) in grado di misurare il comportamento elettrochimico locale delle interfacce liquido-solido, liquido-gas e liquido-liquido. Questa tecnologia fu proposta e simboleggiata per la prima volta da Allen J. Bard, un elettrochimico dell'Università del Texas, nel 1989. Con il maturare delle basi teoriche, la tecnologia SECM è stata ampiamente utilizzata in chimica, biologia e scienza dei materiali. Misurando la corrente in una posizione precisa sulla punta dell'ultramicroelettrodo (UME), è possibile ottenere segnali elettrochimici risolti spazialmente. L'interpretazione di questi segnali si basa sul concetto di correnti limitate dalla diffusione, che a sua volta fornisce un quadro della reattività interfacciale e della cinetica chimica.
La tecnologia SECM può esplorare fenomeni interfacciali e ha trovato applicazioni significative nella scienza dei materiali, come la microstrutturazione e la modellazione delle superfici.
Storia
L'avvento degli ultramicroelettrodi (UME) ha rappresentato una svolta importante nello sviluppo di tecniche elettroanalitiche sensibili come la SECM. Nel 1986, Engstrom condusse il primo esperimento di tipo SECM e osservò il modello di reazione e gli intermedi di breve durata. Gli esperimenti di Alan J. Bader hanno anche evidenziato che la corrente misurata a grandi distanze non era coerente con l'effetto tunnel degli elettroni, ma era causata dalla corrente faradaica. Ciò ha stimolato ulteriori ricerche sulla microscopia elettrochimica. Budd propose le basi teoriche del SECM nel 1989 e introdusse diverse modalità di feedback.
Come funziona
Il principio di base del SECM è quello di modulare il potenziale in una soluzione contenente una coppia redox tramite una punta UME. Ad esempio, in un sistema che trasportaFe2+/Fe3+, quando viene applicato un potenziale sufficientemente negativo, Fe3+ verrà ridotto a Fe2+ sulla punta UME , con conseguente corrente limite di diffusione. Questa tecnologia ha due modalità di funzionamento principali: la modalità feedback e la modalità raccolta-generazione.
Modalità di feedback
Nella modalità feedback, quando la punta UME è vicina al substrato conduttivo, i prodotti ridotti generati sulla punta verranno ossidati sulla superficie conduttiva, determinando un aumento della corrente sulla punta e formando un feedback positivo. Se il bersaglio è una superficie isolante, la corrente verrà ridotta a causa dell'incapacità di rigenerare gli ossidi, formando un circuito di feedback negativo.
Modalità Raccolta-Generazione
Nella modalità di raccolta-generazione, la punta UME viene mantenuta a un potenziale sufficiente per la reazione chimica, mentre il substrato si trova a un potenziale appropriato per raccogliere o reagire con i prodotti generati dalla punta. Questo schema fornisce informazioni sulla dinamica del processo di trasferimento degli elettroni nel sistema.
Applicazioni
La tecnologia SECM è stata utilizzata per sondare la reattività superficiale dei materiali allo stato solido, studiare la cinetica di dissoluzione dei cristalli ionici in ambienti acquosi, esaminare materiali elettrocatalitici, analizzare l'attività degli enzimi e studiare il trasporto dinamico di membrane sintetiche/naturali.
Le capacità di microfabbricazione e progettazione planare di SECM hanno consentito di compiere progressi nell'applicazione delle reazioni superficiali, in particolare nei processi di deposizione dei metalli e di modellazione delle superfici.
Prospettive future
Con il progresso della tecnologia, l'ambito di applicazione del SECM continua ad ampliarsi e la sua sensibilità continua a migliorare. Sonde più piccole e una risoluzione spaziale più elevata consentono agli scienziati di osservare fenomeni che prima erano fuori dalla loro portata. Dietro queste tecnologie non possiamo fare a meno di chiederci: nel processo di esplorazione del mondo microscopico, l'SECM può aiutarci a risolvere misteri scientifici più profondi?
