NaPiDro - Nanoelektroden in Pikoliter-Tröpfchen: neue Möglichkeiten für Einzelmolekülchemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt widmete sich der Untersuchung von Tropfen wässriger Elektrolytlösungen in einer Trägerflüssigkeit und deren Nutzung als Mikroreaktoren für elektrochemische Reaktionen. Es gibt potentiell einige Vorteile, Reaktionen auf diese Weise auszuführen: extrem verringerte Reagenzmengen, potentiell schnelle Umsetzung, effektive Verteilung von Energieflüssen innerhalb des Reaktors und die Möglichkeit, die Reaktionsmischung in den Tropfen gezielt zu einem Ort (z.B. an eine Oberfläche) zu transportieren, wo die Reaktionsmischung eine intendierte Veränderung auslöst. In diesem Projekt standen elektrochemische Reaktionen im Fokus. Für die Umsetzung des beabsichtigten Konzepts bringen diese einige Vorteile mit. Wir setzten mit dem Projekt vorausgegangene Arbeiten fort, mit denen wir sehr kleine Tropfen erzeugten, indem wir das Auseinanderbrechen eines Flüssigkeitsschlauches zwischen einem Muttertropfen und der Öffnung einer Dispensionseinheit in mehrere sehr kleine Tochtertropfen nutzten, diese mit verschiedenen Verfahren vom Muttertropfen trennen und auf eine Oberfläche transportieren. Diese Tropfen können sehr einfach aufgeladen werden, wenn eine Spannung zwischen der Austrittsöffnung der Dispensionseinheit und einer externen Elektrode angelegt wird. Die geladenen wässrigen Tropfen können in einem elektrischen Feld gesteuert und auf diese Weise von der Öffnung der Dispensiereinheit zur Oberfläche einer Mikroelektrode aktiv transportiert werden. Dort wird der Tropfeninhalt elektrolysiert. Mehrere kleine Tropfen können dort kombiniert werden, ähnlich dem Dosieren von Reagenzien zu einer Mischung in einem Laboreraktor. Durch Variation der Spannung zwischen der Öffnung der Dosiereinheit und der Mikroelektrode kann die Zahl der Tropfen, die auf der Mikroelektrode landen, begrenzt werden. Weitere Tropfen werden dann abgestoßen. Es gibt aber auch Herausforderungen: Beim Landen der Tropfen auf der Mikroelektrode bildet sich nicht sofort eine elektrochemische Zelle aus. Wahrscheinlich kommt es zunächst zur Ausbildung einer dünnen Flüssigkeitslamelle der Trägerflüssigkeit zwischen dem wässrigen Tropfen und der Elektrodenoberfläche. Diese Lamelle der viskösen Trägerflüssigkeit reißt innerhalb von einigen Sekunden auf und erst danach setzt die Elektrolyse des Tropfeninhalts ein. Der Elektrolysestrom lässt sich dann durch bereits bekannt Gleichungen beschreiben, während sich der Vorgang des Aufreißens der Lamelle bisher einer Beschreibung durch Formeln entzieht. Eine zweite Herausforderung betrifft die hydrophobe, visköse und nicht flüchtige Trägerflüssigkeit, in der die Tropfenreaktoren erzeugt werden. Eine Elektrolyse kann durchgeführt werden, wenn gleichzeitig (mindestens) zwei Mikroelektroden mit dem wässrigen Tropfen in Kontakt stehen, was aber für sehr kleine Tropfen schwer realisierbar ist. Alternativ kann die Gegenelektrode und die Referenzelektrode zur besseren Potentialeinstellung in die Trägerflüssigkeit außerhalb des Tropfenreaktors platziert werden. Diese Konfiguration wurde von uns untersucht. Sie erfordert eine Trägerflüssigkeit, die zusätzlich zu den schon genannten Eigenschaften eine ionische Leitfähigkeit besitzt. Wir haben Zusammensetzungen solcher Trägerflüssigkeiten entwickelt und getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Local studies of photoelectrochemical reactions at nanostructured oxides. Curr. Opin. Electrochem. 2019, 13, 25-32
G. Wittstock, S. Rastgar, S. Scarabino
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.coelec.2018.10.007) - Catalytic activity of alkali metal cations for chemical oxygen reduction reaction in a biphasic liquid system probed by scanning electrochemical microscopy. Chem. Eur. J. 2020, 26, 10882- 10890
S. Rastgar, K. Teixeira Santos, C. A. Angelucci, G. Wittstock
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.202001967) - Pneumatic conveying printing based on super hydrophobic surfaces. Adv. Mater. Interfaces 2020, 7, 1902131/1-8
D. Li, Y. Cao, H. Dong, X. Wu, Q. Sun, C. Ma, B. Huang, S. Rastgar, G. Wittstock, Y. Liu, Y. Zhang
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/admi.201902131)
