Les physiciens allemands de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) se préparent à des tests expérimentaux des résultats auxquels ils sont parvenus grâce à des considérations théoriques :que les réactions électrochimiques ont lieu plus rapidement sur des surfaces isolées, électrodes à l'échelle nanométrique que sur leurs homologues macroscopiques familiers, et que ce comportement surprenant est causé par le bruit thermique.
La professeure Katharina Krischer et le docteur Vladimir Garcia-Morales ont publié leurs résultats plus tôt cette année dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). Le projet est soutenu par le TUM Institute for Advanced Study, qui met l'accent sur la recherche scientifiquement « risquée » susceptible de créer de nouveaux domaines technologiques.
Les processus familiers prennent des virages inhabituels lorsqu'ils sont observés à l'échelle nanométrique, où les modèles qui décrivent avec précision les phénomènes macroscopiques peuvent ne pas être fiables, ou même applicables. Réactions électrochimiques, par exemple, qui semblent normalement se dérouler sans heurts, semblent s'arrêter et trébucher dans le nanomonde. Lorsque les électrodes concernées ont une largeur inférieure à dix nanomètres, le hasard joue un rôle plus important :le mouvement aléatoire des molécules rend le moment exact des réactions imprévisible.
Maintenant, cependant, un tel processus peut être décrit par un modèle théorique développé par les physiciens du TUM. Ils ont démontré leur méthode dans une étude de réactions à l'échelle nanométrique, Publié dans PNAS , qui présentait une nouvelle « équation maîtresse » électrochimique sous-jacente au modèle. Leurs résultats montrent que le bruit thermique, c'est-à-dire le caractère aléatoire du mouvement moléculaire et des réactions individuelles de transfert d'électrons - joue en fait un rôle constructif dans un système électrochimique à l'échelle nanométrique, augmenter les taux de réaction.
"L'effet prédit est robuste, " dit le Dr Vladimir Garcia-Morales, récemment nommé Carl von Linde Junior Fellow du TUM Institute for Advanced Study, "et il devrait apparaître dans de nombreuses situations expérimentales." A voir par eux-mêmes, les chercheurs ont détourné leur attention du tableau et de l'ordinateur vers la paillasse du laboratoire. Leurs expériences présentent plusieurs défis techniques. L'une n'est pas seulement de fabriquer des électrodes en forme de disque avec un rayon de seulement trois à dix nanomètres, mais aussi pour déterminer la zone d'électrode avec précision. Une autre exigence difficile consiste à configurer l'électronique pour minimiser le bruit provenant de sources externes, pour s'assurer de l'influence de l'interne, un bruit moléculaire peut être observé.
"Un aspect important, " dit le Dr Garcia-Morales, "est que l'effet rapporté peut changer notre point de vue sur les propriétés collectives de nombreuses électrodes. L'intuition commune suggère que si l'on rend la zone d'électrode dix fois plus grande, le courant serait dix fois plus élevé. Mais, comme nous le montrons avec notre théorie, la proportionnalité ne tient plus lorsque la dimension de l'électrode devient aussi petite que quelques nanomètres."
La validation expérimentale pourrait également aider à transposer la théorie des chercheurs du TUM à diverses situations. Ils disent que leur méthode tient compte des effets que les modèles macroscopiques ne peuvent pas expliquer et pourrait s'avérer utile pour répondre à une variété de questions de recherche. "L'applicabilité de l'équation maîtresse électrochimique est en fait au-delà du problème spécifique abordé dans la publication, » souligne la professeure Katharina Krischer. « Elle établit un cadre général pour les processus stochastiques impliquant des réactions de transfert d'électrons. Par exemple, nous l'utilisons maintenant pour prédire la qualité des horloges électrochimiques à l'échelle nanométrique."
