Em baterias, células de combustível ou revestimentos técnicos, processos químicos centrais ocorrem na superfície dos eletrodos que estão em contato com líquidos. Durante esses processos, átomos se movem sobre a superfície, mas como isso exatamente acontece dificilmente foi pesquisado. Os físicos da Universidade de Kiel desejam obter uma melhor compreensão desses movimentos, e o papel dos componentes químicos envolvidos. Para fazer isso, eles observam com a mais alta resolução microscópica como os átomos de enxofre se movem nos eletrodos de cobre, que são imersos em diferentes soluções salinas. Gravações microscópicas de vídeo mostraram que esses movimentos são controlados por íons, preso à superfície do eletrodo. Essas descobertas podem ajudar a controlar esses processos de movimento com precisão, por exemplo, para otimizar os processos de revestimento na indústria de microeletrônica. Os resultados deste estudo estão publicados na edição atual da renomada revista científica. Angewandte Chemie .

Os processos nas interfaces são semelhantes a um jogo de futebol em um estádio:o time em campo deve marcar os gols, mas o apoio dos espectadores provavelmente também influencia o andamento do jogo. "Íons ou moléculas que se ligam a uma superfície, pode ter uma influência decisiva nas reações que ocorrem lá, mesmo que não estejam diretamente envolvidos, "disse o professor Olaf Magnussen, chefe do Grupo de Física de Interface do Instituto de Física Experimental e Aplicada. Na quimica, esses átomos são conhecidos como "espécies espectadoras". Contudo, a influência exata de tais "espectadores" atômicos nas reações nas interfaces é, na maioria dos casos, apenas parcialmente conhecido. Mais conhecimento pode ajudar a controlar melhor esses processos.

Em seu experimento, o grupo de pesquisa investigou eletrodos de cobre em soluções salinas, contendo íons de cloro ou bromo. Esses íons se acumularam como "espectadores" na superfície de cobre. Os pesquisadores então adicionaram pequenas quantidades de átomos de enxofre, e observaram seu movimento térmico na superfície do eletrodo. Para fazer isso, eles usaram um microscópio especial de tunelamento, que pode tornar os átomos únicos visíveis - mesmo em soluções salinas. Uma vez que isso funciona apenas em temperaturas acima de zero, os átomos se movem relativamente rápido, as fotos microscópicas, portanto, devem ser tiradas em um curto espaço de tempo.

No microscópio de tunelamento de varredura, uma pequena ponta de metal examina o eletrodo, e, assim, cria uma imagem de sua superfície. Os instrumentos padrão podem capturar uma imagem por minuto. Ao longo de vários anos, o grupo de trabalho de Kiel desenvolveu ainda mais seu microscópio para que seu instrumento possa gerar até 20 imagens por segundo. Com este instrumento único em todo o mundo, é possível capturar em um vídeo como os átomos se movem em uma superfície.

As gravações resultantes surpreenderam a equipe de pesquisa:em ambas as soluções salinas, a velocidade dos átomos de enxofre foi fortemente influenciada pela voltagem aplicada ao eletrodo. Mesmo um aumento de apenas 1/10 de volt fez com que eles se movessem dez vezes mais rápido. Contudo, voltagem mais alta fez com que os átomos de enxofre se movessem mais lentamente na superfície com íons de cloreto, mas mais rápido na superfície coberta com brometo. "Cloreto e brometo são quimicamente muito semelhantes - não esperávamos esse comportamento diferente, "disse Björn Rahn, que realizou essas investigações como parte de sua tese de doutorado orientada por Magnussen.

Pistas para uma explicação para essas diferentes observações foram fornecidas por simulações de computador, produzido pelo grupo de trabalho do Professor Eckhard Pehlke do Instituto de Física Teórica e Astrofísica. "Os átomos de enxofre se comportam de maneira tão diferente em superfícies com íons cloreto e brometo, porque os dois íons acionam diferentes mecanismos de movimento, "disse Pehlke, para explicar os cálculos de sua equipe.

Enquanto os átomos de enxofre na presença de íons cloreto se movem apenas na superfície, os cálculos para a superfície com íons brometo sugerem que os átomos de enxofre mergulham brevemente na superfície do metal enquanto mudam suas posições.

As simulações de computador confirmam que os íons brometo e cloreto na superfície são mais do que apenas espectadores passivos, e, em vez disso, influenciam diretamente os processos químicos. Essas descobertas fundamentais da pesquisa não ajudam apenas a obter uma melhor compreensão dos processos elementares nas interfaces. "Nossos resultados também são um primeiro passo para um melhor controle desses processos eletroquímicos, "disse Magnussen, olhando para frente.