测试电化学纳米系统的预测

2019-04-15 16:14:00
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慕尼黑工业大学(TUM)的物理学家正准备通过理论考虑对他们得出的结果进行实验测试:电化学反应在隔离的纳米尺度电极上比在他们熟悉的宏观电极上发生得更快,这种惊人的行为是由热噪声引起的。

Katharina Krischer教授和Vladimir Garcia-Morales博士今年早些时候在“ 美国国家科学院院刊”(PNAS)上发表了他们的研究结果。该项目得到了TUM高级研究所的支持,该研究所强调科学上“风险”的研究,这可能有可能创造新的技术领域。

当在纳米尺度上观察时,熟悉的过程采用不熟悉的转弯,其中准确描述宏观现象的模型可能不可靠,甚至不适用。例如,通常看起来顺利进行的电化学反应似乎在纳米世界中停止和绊倒。当所涉及的电极小于10纳米宽时,机会起着更大的作用:分子的随机运动使得反应的确切时间变得不可预测。

然而,现在,这个过程可以用TUM物理学家开发的理论模型来描述。他们在PNAS上发表的纳米级反应研究中展示了他们的方法,该研究提出了一种新的电化学“主方程”作为该模型的基础。他们的研究结果表明,热噪声 - 即分子运动的随机性和单个电子转移反应 - 实际上在纳米级电化学系统中起着建设性的作用,提高了反应速率。

“预测的效果是强劲的,”弗拉基米尔·加西亚·莫拉莱斯博士最近被任命为TUM高级研究所的卡尔·冯·林德少年研究员,“它应该出现在许多实验情况中。” 为了了解自己,研究人员已将注意力从黑板和计算机转移到实验室工作台。他们的实验提出了一些技术挑战 一个不仅是制造半径仅为3到10纳米的圆盘形电极,而且还准确地确定电极面积。另一个严苛的要求是设置电子元件以最大限度地减少来自外部源的噪声,以确保可以观察到内部分子噪声的影响。

“一个重要的方面,”加西亚·莫拉莱斯博士说,“报道的效果可以改变我们对许多电极集体性质的看法。常见的直觉表明,如果将电极面积增大十倍,电流将是然而,正如我们用我们的理论所表明的那样,当电极尺寸变得小到几纳米时,比例性就不再存在了。“

实验验证还可以帮助将TUM研究人员的理论转换为各种情况。他们说他们的方法解释了宏观模型无法解释的效果,并且可以证明在解决各种研究问题方面是有用的。“电化学主方程的适用性实际上超出了出版物中提到的具体问题,”Katharina Krischer教授强调。“它建立了涉及电子转移反应的随机过程的一般框架。例如,我们现在用它来预测纳米尺度的电化学钟的质量。

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