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EPFL-Forscher entwickeln neues Mikroskop für Oberflächenchemie

Zürich, 24.07.2017

 

Forschende der ETH Lausanne haben ein Mikroskop entwickelt, um chemische Reaktionen an Oberflächen in Echtzeit und 3D abbilden zu können. Mit dieser Methode lassen sich Grundlagen chemischer Prozesse besser verstehen und dadurch allenfalls Technologien wie Brennstoffzellen oder Katalysatoren verbessern.

Was chemisch an Oberflächen und Grenzflächen passiert, spielt eine wichtige Rolle bei geologischen, katalytischen, biologischen und chemischen Prozessen. Im Alltag begegnet einem Oberflächenchemie beispielsweise in Katalysatoren oder Brennstoffzellen. Um solche Technologien zu verbessern, braucht es ein grundsätzliches Verständnis der chemischen Prozesse an Oberflächen.

Forschende um Sylvie Roke von der ETH Lausanne (EPFL) haben nun ein neuartiges Mikroskop entwickelt, um dreidimensionale Veränderungen der molekularen Struktur und Chemie in geschlossenen Systemen wie Poren oder gekrümmten Oberflächen in Echtzeit abzubilden.

Chemische Karte erstellt

Das Mikroskop erlaubte den Forschenden, die chemischen Vorgänge im Inneren einer wassergefüllten Glaskapillare von 100 Mikrometern Länge zu beobachten, wie sie im Fachblatt "Science" berichten. Von den jede Millisekunde erstellten Bildern konnten sie beispielsweise Karten der Oberflächenladungen rekonstruieren sowie chemische Reaktionskonstanten für jeden der 188 Nanometer breiten Pixel berechnen, wie die EPFL in einer Mitteilung schrieb.

Roke und ihr Team haben eine Reihe einzigartiger Werkzeuge entwickelt, um Wasser und wässrige Grenzflächen auf der Nanometer-Skala zu untersuchen, schrieb die Hochschule.

Im Fokus der nun veröffentlichten Arbeit stand eine Reaktion, bei der sich von einer Hydroxylgruppe aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom das letztere in Form eine Protons abspaltet. Diese "Deprotonierung" genannte Reaktion spielt eine wichtige Rolle in einer Reihe von Prozessen.

Fundamentale Reaktion

Die Wissenschaftler beobachteten mit dem neuen Mikroskop die Deprotonierung an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem Siliziumdioxid der Glaskapillare. Siliziumdioxid - auch als Quarz bekannt - ist eines der häufigsten Mineralien auf der Erde, und seine Wechselwirkung mit Wasser beeinflusst unsere Umwelt, hielt die EPFL fest.

Obwohl die Grenzfläche zwischen Quarz und Wasser bereits eingehend studiert wurde, herrscht kein wissenschaftlicher Konsens über ihre chemische Reaktivität. "Unsere Daten zeigen, warum", erklärte Roke gemäss der Mitteilung. Tatsächlich sei die chemische Reaktivität der Grenzfläche erstaunlich variabel, sogar innerhalb eines nur kleinen Abschnitts der Kapillare.

"Unsere neue Methode der Bildgebung erlaubt uns, eine grosse Anzahl von Prozessen zu verfolgen, zum Beispiel das Funktionieren einer Brennstoffzelle in Echtzeit", so die Expertin. Damit können Forschende Grundlagen schaffen, um diese und andere Technologien weiter zu verbessern.