Wunder der Nanowelt: Rauschen macht Nanoelektroden schneller

15.03.2010: Die Nanotechnologie hat während der letzten Jahre rasant an Bedeutung gewonnen. Doch bei der Weiterentwicklung von Nanosystemen stellt sich den Wissenschaftlern immer wieder ein Problem in den Weg: Viele uns aus der normalen, makroskopischen Welt vertrauten Gesetze sind in der Nanowelt nicht gültig. Physiker der Technischen Universität München (TUM) haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie das Verhalten elektrochemischer Nanosysteme berechnen können.

In der uns vertrauten Welt scheinen chemische Reaktionen kontinuierlich abzulaufen. Betrachtet man nur wenige Nanometer große Elektroden, so kommt plötzlich der Zufall ins Spiel: Abhängig von der zufälligen Bewegung der Moleküle in der Umgebung, findet an der einen Elektrode gerade eine Reaktion statt, an der anderen erst kurze Zeit später. Den genauen Zeitpunkt, an dem eine Reaktion stattfindet, kann man nicht vorhersagen. Der kontinuierliche Stromfluss kommt ins stottern.

Modelle, die makroskopische Situationen akkurat beschreiben, sind auf der Nanoskala nicht mehr anwendbar und neue Beschreibungen müssen gefunden werden. Professor Katharina Krischer und Dr. Vladimir Garcia-Morales aus dem Physik-Department der TU München haben nun ein Berechnungsmodell entwickelt, mit dem diese Reaktionen simuliert werden können.

Bei ihren Untersuchungen stießen die Wissenschaftler auf einen überraschenden Effekt: Auf isolierten Nanoelektroden laufen alle elektrochemischen Reaktionen schneller ab, als auf makroskopischen Elektroden. Dank ihrer neuen Berechnungsmodelle konnten sie auch klären, wie dieser Effekt zustande kommt: Die Zufälligkeit des Auftretens einer elektrochemischen Reaktion bedingt molekulares Rauschen. Entgegen unserer Alltagserfahrung, nach der das Rauschen eher störend ist, spielt es an Nanoelektroden eine konstruktive Rolle.

Die publizierte Arbeit wurde unterstützt von der Europäischen Union (Projekt DYNAMO) und dem Exzellenzcluster Nanosystem Initiative München. Dr. Garcia-Morales wird ab April im Institute for Advanced Study der Technischem Universität München (TUM-IAS) als Junior Fellow arbeiten.

Originalveröffentlichung: Vladimir García-Morales and Katharina Krischer; "Fluctuation enhanced electrochemical reaction rates at the nanoscale"; PNAS early online edition