En piles, piles à combustible ou revêtements techniques, des processus chimiques centraux ont lieu à la surface des électrodes qui sont en contact avec des liquides. Au cours de ces processus, les atomes se déplacent à la surface, mais comment cela se produit exactement a à peine été recherché. Les physiciens de l'Université de Kiel veulent mieux comprendre ces mouvements, et le rôle des composants chimiques impliqués. Faire cela, ils observent avec la plus haute résolution microscopique comment les atomes de soufre se déplacent sur les électrodes de cuivre, qui sont immergés dans différentes solutions salines. Des enregistrements vidéo microscopiques ont montré que ces mouvements sont contrôlés par des ions, fixé à la surface de l'électrode. Ces découvertes pourraient aider à contrôler de tels processus de mouvement avec précision, par exemple pour optimiser les processus de revêtement dans l'industrie de la microélectronique. Les résultats de cette étude sont publiés dans le numéro actuel de la célèbre revue scientifique Angewandte Chemie .

Les processus aux interfaces sont similaires à un match de football dans un stade :l'équipe sur le terrain doit marquer les buts, mais le soutien des spectateurs a probablement aussi une influence sur le déroulement du match. "Ions ou molécules qui s'attachent à une surface, peut avoir une influence décisive sur les réactions qui s'y produisent, même s'ils ne sont pas directement impliqués, " a déclaré le professeur Olaf Magnussen, chef du groupe de physique des interfaces à l'Institut de physique expérimentale et appliquée. En chimie, ces atomes sont appelés "espèces spectateurs". Cependant, l'influence exacte de ces "spectateurs" atomiques sur les réactions aux interfaces est, dans la plupart des cas, seulement en partie connu. Des connaissances supplémentaires pourraient aider à mieux contrôler ces processus.

Dans leur expérience, le groupe de recherche a étudié les électrodes de cuivre dans les solutions salines, contenant des ions chlore ou brome. Ces ions se sont accumulés en tant que "spectateurs" sur la surface du cuivre. Les chercheurs ont ensuite ajouté de petites quantités d'atomes de soufre, et observé leur mouvement thermique à la surface de l'électrode. Faire cela, ils ont utilisé un microscope à effet tunnel spécial, qui peut rendre visibles des atomes isolés, même dans des solutions salines. Comme cela ne fonctionne qu'à des températures supérieures au point de congélation, les atomes se déplacent relativement rapidement, les images microscopiques doivent donc être prises en peu de temps.

Dans le microscope à effet tunnel, une petite pointe métallique scanne l'électrode, et crée ainsi une image de sa surface. Les instruments standard peuvent prendre une image par minute. Sur plusieurs années, le groupe de travail de Kiel a perfectionné son microscope afin que son instrument puisse générer jusqu'à 20 images par seconde. Avec cet instrument unique au monde, il est possible de capturer dans une vidéo comment les atomes se déplacent sur une surface.

Les enregistrements obtenus ont surpris l'équipe de recherche :dans les deux solutions salines, la vitesse des atomes de soufre était fortement influencée par la tension appliquée à l'électrode. Même une augmentation de seulement 1/10 de volt les a fait se déplacer dix fois plus vite. Cependant, une tension plus élevée ralentissait le déplacement des atomes de soufre à la surface avec les ions chlorure, mais plus rapide sur la surface recouverte de bromure. "Le chlorure et le bromure sont chimiquement très similaires - nous ne nous attendions pas à ce comportement différent, " a déclaré Björn Rahn, qui a mené ces investigations dans le cadre de sa thèse de doctorat sous la direction de Magnussen.

Des indices pour expliquer ces différentes observations ont été fournis par des simulations informatiques, produit par le groupe de travail du professeur Eckhard Pehlke de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique. "Les atomes de soufre se comportent si différemment sur les surfaces avec des ions chlorure et bromure, parce que les deux ions déclenchent des mécanismes de mouvement différents, " dit Pehlke, pour expliquer les calculs de son équipe.

Alors que les atomes de soufre en présence d'ions chlorure ne se déplacent que sur la surface, les calculs pour la surface avec des ions bromure suggèrent que les atomes de soufre plongent brièvement dans la surface du métal tout en changeant de position.

Les simulations informatiques confirment que les ions bromure et chlorure à la surface sont plus que de simples spectateurs passifs, et influencent plutôt directement les processus chimiques. Ces résultats de recherche fondamentale ne permettent pas seulement de mieux comprendre les processus élémentaires aux interfaces. « Nos résultats sont aussi un premier pas vers une meilleure maîtrise de ces processus électrochimiques, " dit Magnussen, regarder vers l'avant.