I fisici tedeschi della Technische Universitaet Muenchen (TUM) si stanno preparando per test sperimentali dei risultati a cui sono arrivati attraverso considerazioni teoriche:che le reazioni elettrochimiche avvengono più rapidamente su elettrodi su scala nanometrica rispetto alle loro familiari controparti macroscopiche, e che questo comportamento sorprendente è causato dal rumore termico.
La prof.ssa Katharina Krischer e il dott. Vladimir Garcia-Morales hanno pubblicato i loro risultati all'inizio di quest'anno nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). Il progetto è sostenuto dal TUM Institute for Advanced Study, che enfatizza la ricerca scientificamente "rischiosa" che potrebbe avere il potenziale per creare nuovi campi della tecnologia.
I processi familiari prendono svolte non familiari quando vengono osservati su scala nanometrica, dove i modelli che descrivono accuratamente i fenomeni macroscopici potrebbero non essere affidabili, o addirittura applicabile. Reazioni elettrochimiche, Per esempio, che normalmente sembrano procedere senza intoppi, sembrano fermarsi e inciampare nel nanomondo. Quando gli elettrodi coinvolti sono larghi meno di dieci nanometri, il caso gioca un ruolo più importante:il movimento casuale delle molecole rende imprevedibile il momento esatto delle reazioni.
Ora, però, proprio un tale processo può essere descritto da un modello teorico sviluppato dai fisici TUM. Hanno dimostrato il loro metodo in uno studio sulle reazioni su scala nanometrica, pubblicato in PNAS , che ha presentato una nuova "equazione principale" elettrochimica alla base del modello. I loro risultati mostrano che il rumore termico, ovvero la casualità del movimento molecolare e delle reazioni di trasferimento degli elettroni individuali - gioca effettivamente un ruolo costruttivo in un sistema elettrochimico su scala nanometrica, aumentare le velocità di reazione.
"L'effetto previsto è robusto, " dice il dottor Vladimir Garcia-Morales, recentemente nominato Carl von Linde Junior Fellow del TUM Institute for Advanced Study, "e dovrebbe presentarsi in molte situazioni sperimentali." Per vedere di persona, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione dalla lavagna e dal computer al banco del laboratorio. I loro esperimenti presentano diverse sfide tecniche. Uno non è solo fabbricare elettrodi a forma di disco con un raggio di soli tre-dieci nanometri, ma anche per determinare con precisione l'area dell'elettrodo. Un altro requisito difficile è configurare l'elettronica per ridurre al minimo il rumore proveniente da fonti esterne, per assicurarsi che l'influenza di interni, si può osservare rumore molecolare.
"Un aspetto importante, "Il dottor Garcia-Morales dice, "è che l'effetto riportato può cambiare la nostra visione sulle proprietà collettive di molti elettrodi. L'intuizione comune suggerisce che se si rende l'area dell'elettrodo dieci volte più grande, la corrente sarebbe dieci volte più alta. Ma, come dimostriamo con la nostra teoria, la proporzionalità non regge più quando la dimensione dell'elettrodo diventa di pochi nanometri."
La convalida sperimentale potrebbe anche aiutare a trasporre la teoria dei ricercatori TUM a una varietà di situazioni. Dicono che il loro metodo tiene conto degli effetti che i modelli macroscopici non possono spiegare e potrebbe rivelarsi utile per affrontare una varietà di domande di ricerca. "L'applicabilità dell'equazione master elettrochimica è infatti al di là del problema specifico affrontato nella pubblicazione, " La prof.ssa Katharina Krischer sottolinea. "Si stabilisce un quadro generale per i processi stocastici che coinvolgono reazioni di trasferimento di elettroni. Per esempio, ora lo usiamo per prevedere la qualità degli orologi elettrochimici su scala nanometrica".
