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理論から実践へ: Allen J. Bard はどのようにして走査型電気化学顕微鏡の革命を導いたのでしょうか?
走査型電気化学顕微鏡 (SECM) は、液体/固体、液体/気体、および液体/液体界面における局所的な電気化学的挙動を測定するために使用される技術です。この技術は、1989 年にテキサス大学の電気化学者 Allen J. Bard によって初めて暫定的に特定されました。それ以来、理論的基礎は徐々に改善され、この技術は化学、生物学、材料科学などの分野で広く使用されるようになりました。
SECM は、基板の関心領域上で超微小電極 (UME) チップを正確に移動させることにより、空間的に分解された電気化学信号を取得できます。 SECM 信号の解釈は、拡散限界電流の概念に基づいています。ユーザーは 2D ラスター スキャンからの情報を集約して、表面反応性と化学反応速度の画像を生成できます。この技術は、表面プラズモン共鳴 (SPR)、電気化学走査トンネル顕微鏡 (ESTM)、原子間力顕微鏡 (AFM) などの他の特性評価方法を補完し、さまざまな界面現象の詳細な調査を可能にします。
SECM は、地形情報を提供するだけでなく、固体材料、電気触媒材料、酵素、その他の生物物理システムの表面反応性を検出するためにもよく使用されます。
1980 年代の電気化学ナノ電極 (UME) の出現により、SECM の高感度電気化学分析技術が開発されました。 1986 年、エングストロームの最初の SECM タイプの実験により、反応プロファイルと短寿命中間体の直接観察が可能になりました。その後すぐに、電気化学走査トンネル顕微鏡 (ESTM) を使用したバードの実験により、チップからサンプルまでの距離がより遠くても電流が検出できることが示されましたが、これは電子トンネル効果と矛盾します。この現象はファラデー電流と関連付けられており、電気化学顕微鏡のより深い分析を促しました。
1989 年に Bard が提案した理論的根拠も斬新です。彼は最初に「走査型電気化学顕微鏡」という用語を提案しました。 Bard 氏は、さまざまなフィードバック モードの適用を実証することで、SECM の広範な有用性を説明しています。理論的基盤の発展に伴い、SECM 関連の論文数は年々増加し、1999 年の約 80 論文から徐々に増加しています。 SECM の人気は、理論的な革新による恩恵だけでなく、実験モードをさらに拡張し、基板範囲を広げ、感度を向上させる技術の進歩によっても推進されています。
動作原理
SECM は、電解質中の超微小電極の先端の電位を操作することにより、酸化還元対を研究します。十分な負の電位を印加することにより、(Fe3+) イオンが超微小電極先端で (Fe2+) に還元され、それによって拡散律速電流が生成されます。
このプロセスにおける電流の変化は、酸化種の濃度、拡散係数、超微小電極先端の半径などの複数の要因に関連しています。
SECM には、フィードバック モードとコレクション生成モードという 2 つの主な動作モードがあります。フィードバックモードでは、超微小電極が導電性基板に近づき、電流が増加します。対照的に、プローブが絶縁表面に接触すると、酸化種は再生できないため、電流は減少します。
アプリケーションフィールド
SECM は、固体材料表面の形態と反応性の調査、水性環境におけるイオン結晶の溶解速度の追跡、電極触媒材料のスクリーニング、酵素の活性の解明、合成および天然の膜やその他の生物物理学における動的輸送の研究に使用されています。システム。初期の実験は主に固液界面に焦点を当てており、従来の電気化学実験よりも高い空間分解能と感度を実現しました。
近年、SECM テクノロジーは、液-液界面および気-液界面における化学移動ダイナミクスを調査するために改良されました。
微細構造化に関しては、SECM は表面の製造、パターニング、微細構造化にも使用されます。スキャニング プローブ リソグラフィー (SPL) などの操作は SECM 構成を通じて実行でき、金属蒸着、表面エッチング、酵素による表面パターニング反応の研究に役立ちます。 SECM は電気化学的特性と組み合わせることで、従来の微細加工プロセスのサイズ制限を克服します。
概要
走査型電気化学顕微鏡の開発におけるアレン J. バードの貢献は間違いなく非常に重要です。彼の研究は、その後の科学的探求にとってかけがえのないプラットフォームを提供します。そして、技術と理論の絶え間ない進歩により、SECM が将来新たな科学的発見を導くことができるかどうか、どう思いますか?
