Las simulaciones por computadora del movimiento a través de la superficie de un metal (naranja) sugieren que en presencia de una capa de iones bromuro (magenta), los átomos de azufre (amarillo) cambian de posición sumergiéndose brevemente en el metal (ver flecha). Crédito:Deuchler
En baterías, pilas de combustible o revestimientos técnicos, Los procesos químicos centrales tienen lugar en la superficie de los electrodos que están en contacto con líquidos. Durante estos procesos, los átomos se mueven sobre la superficie, pero apenas se ha investigado cómo sucede esto exactamente. Los físicos de la Universidad de Kiel quieren comprender mejor estos movimientos, y el papel de los componentes químicos implicados. Para hacerlo observan con la resolución microscópica más alta cómo se mueven los átomos de azufre en los electrodos de cobre, que se sumergen en diferentes soluciones salinas. Las grabaciones de video microscópicas mostraron que estos movimientos están controlados por iones, unido a la superficie del electrodo. Estos hallazgos podrían ayudar a controlar dichos procesos de movimiento con precisión, por ejemplo, para optimizar los procesos de recubrimiento en la industria de la microelectrónica. Los resultados de este estudio se publican en el número actual de la reconocida revista científica Angewandte Chemie .
Los procesos en las interfaces son similares a un partido de fútbol en un estadio:el equipo en el campo debe marcar los goles, pero el apoyo de los espectadores probablemente también influya en el curso del juego. "Iones o moléculas que se adhieren a una superficie, puede tener una influencia decisiva en las reacciones que ocurren allí, incluso si no están directamente involucrados, "dijo el profesor Olaf Magnussen, Jefe del Grupo de Física de Interfaces del Instituto de Física Experimental y Aplicada. En Quimica, estos átomos se conocen como "especies espectadoras". Sin embargo, la influencia exacta de tales "espectadores" atómicos en las reacciones en las interfaces es, en la mayoría de los casos, sólo parcialmente conocido. Un mayor conocimiento podría ayudar a controlar mejor estos procesos.
En su experimento, el grupo de investigación investigó electrodos de cobre en soluciones salinas, que contiene iones de cloro o bromo. Estos iones se acumulan como "espectadores" en la superficie del cobre. Luego, los investigadores agregaron pequeñas cantidades de átomos de azufre, y observaron su movimiento térmico en la superficie del electrodo. Para hacerlo utilizaron un microscopio de túnel de barrido especial, que puede hacer visibles átomos individuales, incluso en soluciones salinas. Dado que esto funciona solo a temperaturas por encima del punto de congelación, los átomos se mueven relativamente rápido, por tanto, las imágenes microscópicas deben tomarse en poco tiempo.
La grabación del microscopio de efecto túnel muestra átomos de azufre (rojo) en un electrodo de cobre, rodeado de iones de bromo (verde). Crédito:Rahn
En el microscopio de efecto túnel, una pequeña punta de metal escanea el electrodo, y por lo tanto crea una imagen de su superficie. Los instrumentos estándar pueden tomar una imagen por minuto. Durante varios años, el grupo de trabajo de Kiel desarrolló aún más su microscopio para que su instrumento pueda generar hasta 20 imágenes por segundo. Con este instrumento único en todo el mundo, es posible capturar en un video cómo se mueven los átomos en una superficie.
Las grabaciones resultantes sorprendieron al equipo de investigación:en ambas soluciones salinas, la velocidad de los átomos de azufre estuvo fuertemente influenciada por el voltaje aplicado al electrodo. Incluso un aumento de solo 1/10 de voltio los hizo moverse diez veces más rápido. Sin embargo, un voltaje más alto hizo que los átomos de azufre se movieran más lentamente en la superficie con iones de cloruro, pero más rápido en la superficie cubierta de bromuro. "El cloruro y el bromuro son químicamente muy similares; no esperábamos este comportamiento diferente, "dijo Björn Rahn, quien realizó estas investigaciones como parte de su tesis doctoral dirigida por Magnussen.
Las pistas para una explicación de estas diferentes observaciones fueron proporcionadas por simulaciones por computadora, producido por el grupo de trabajo del profesor Eckhard Pehlke del Instituto de Física Teórica y Astrofísica. "Los átomos de azufre se comportan de manera tan diferente en superficies con iones de cloruro y bromuro, porque los dos iones activan diferentes mecanismos de movimiento, "dijo Pehlke, para explicar los cálculos de su equipo.
El investigador de doctorado Björn Rahn (derecha) del Interface Physics Group llevó a cabo los experimentos con el microscopio de efecto túnel. Lukas Deuchler, quien actualmente es investigador doctoral en física teórica, simuló los procesos atómicos en computadoras de alto rendimiento. Crédito:Siekmann, CAU
Mientras que los átomos de azufre en presencia de iones de cloruro se mueven solo en la superficie, los cálculos para la superficie con iones de bromuro sugieren que los átomos de azufre se sumergen brevemente en la superficie del metal mientras cambian de posición.
Las simulaciones por computadora confirman que los iones de bromuro y cloruro en la superficie son más que simples espectadores pasivos, y en cambio influir directamente en los procesos químicos. Estos hallazgos fundamentales de la investigación no solo ayudan a obtener una mejor comprensión de los procesos elementales en las interfaces. "Nuestros resultados también son un primer paso hacia un mejor control de dichos procesos electroquímicos, "dijo Magnussen, mirando hacia el futuro.
