Det var ett tag sedan den senaste artikeln. Så är det ibland, men nyligen fick vi en ny studie publicerad i Analytical Chemistry. Men, för att förklara den behöver jag gå tillbaka ungefär ett år för att titta på en tidigare artikel som hjälper oss att förstå vad som händer. Den tidigare artikeln, publicerad i Electrochemistry Communications, har titeln “Roterande droppe som ett alternativ för elektrokemiska mätningar i små volymer”.

Inom elektrokemi¹ vill man ofta studera hur snabbt en reaktion sker. Om vi har en oxidation (dvs en elektrokemisk reaktion där en elektron frigörs) av, säg, en järnjon

Fe²⁺ ⇌ Fe³⁺ + e^–

och vi vill studera hur fort reaktionen sker så är det svårt att göra i en stillastående lösning. Nära elektroden kommer Fe²⁺ omvandlas till Fe³⁺, så koncentrationen blir lägre där. Fe²⁺ kommer att “fyllas på” genom att joner diffunderar till elektroden, men diffusion är en långsam process, så den uppmätta reaktionshastigheten kommer att begränsas av diffusionen istället för av reaktionskinetiken, som den “inbyggda” reaktionshastigheten benämns.

Modell av en roterande skivelektrod.
Bild från Electrochemical and Micro Engineering group vid Cambridge University.

Det man ofta gör är att man använder en roterande skivelektrod (se illustration) där rotationen suger in vätska mot elektrodens mitt och slungar ut den åt sidorna. Resultated blir att analyten (som det man vill mäta kallas) transporteras fortare till elektroden än genom bara diffusion. Man kan dessutom kontrollera hur snabbt genom att variera skivans rotationshastighet. Strömmen blir högre om skivan roterar fortare. Om man analyserar exakt hur strömmen varierar med rotationshastighet kan man beräkna reaktionshastigeten enligt en formel känd som Levich-ekvationen efter den ryske elektrokemisten Veniamin Levich.

Hur den uppmätta strömmen beror på rotatitionshastigheten. Bild från Electrochemical and Micro Engineering group vid Cambridge University.

När man använder en roterande skivelektrod så behöver man vanligen en ganska stor mängd provvätska – ett tiotal milliliter. Om man i stället placerar en enda elektrolytdroppe mellan den roterande elektroden och en en yta, så kan man göra liknande mätningar med en provvolym på bara ca 50 mikroliter, dvs tusen gånger mindre. Droppen hålls på plats av ytspänningen och så länge man inte roterar droppen alltför fort så är den väldigt stabil. Vår artikel är en vidareutveckling av en par tidigare experiment i samma riktning, bl a av en forskargrupp i Frankrike ledd av Benôit Limoges. Det vi gör i vår artikel är att utnyttja elektroderna på skivelektroden som referens- och hjälpelektrod (se bild) vilket gör att vi kan utnyttja i princip alla typer av elektrodytor som arbetselektrod. Det gör metoden mer flexibel och användbar.

Sketch över hur vår roterande droppe fungerar.

I artikeln visar vi att den roterande droppen ger upphov till nästan samma ekvation som den vanliga Levich-ekvationen. Vi visar också att eftersom droppen har en förhållandevis stor yta jämfört med sin volym så reagerar den väldigt snabbt på förändringar i luften. Detta skulle kunna användas till att mäta förekomsten av någon kemikalie i luften kring droppen.

UPPDATERING 2019-08-11: Lade till en gif av droppen.

1. Svenska Wikipedias artikel om elektrokemi är verkligen inte bra. T ex Ugglans NO är mycket bättre