Die bipolare Elektrochemie hat zwar schon einen ziemlich langen Werdegang hinter sich, ihre Vorteile auf dem Gebiet der Nanowissenschaft sind jedoch erst in letzter Zeit erkannt worden. Sie ermöglicht die kontrollierte Oberflächenmodifizierung auf Mikro- und Nanoebene und bietet originelle Anwendungsmöglichkeiten von der analytischen Chemie bis zu den Materialwissenschaften. Hier sollen einige der neuesten Erfolge dieses unkomplizierten Konzepts im praktischen Einsatz erläutert werden, die es zu einem nützlichen Werkzeug zum Gestalten unserer Mikro- und Nanowelt machen.

Die Vergangenheit

Das Konzept der bipolaren Elektrochemie ist schon seit beträchtlicher Zeit bekannt, jedoch nicht über einige wenige industrielle Anwendungen, die in den 60er Jahren entwickelt worden sind, hinausgekommen. Beispiele der bipolaren Elektrochemie sind unter der Bezeichnung 'Wirbelbettelektrode' für Anwendungen wie der Elektrosynthese, der Wasserspaltung und der Erhöhung der Leistung von Brennstoffzellen [1,2] bekannt. Das einfache Konzept, auf dem diese Verfahren beruhen, basiert auf der Tatsache, dass ein bipolares Redoxverhalten unter dem Einfluss eines externen elektrischen Felds auf einem Substrat ausgelöst wird [3].
Betrachten wir nun ein leitendes Objekt, das in eine Lösung eingetaucht ist, in der ein starkes elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden besteht (Abb. 1). Zwischen den beiden Seiten des Objekts entsteht eine Polarisation ΔV, die zum elektrischen Feld E/L und den charakteristischen Dimensionen des Objekts r proportional ist.
ΔV= 2 E r/L (1)
Ist diese Polarisation stark genug, so können Redoxreaktionen an den entgegengesetzten Enden des Objekts durchgeführt werden. Die negativ polarisierte Seite kann beispielsweise der Ort einer Metall-Ionenreduktion sein, die zur Anlagerung des Metalls führt, während auf der positiv polarisierten Seite eine Elektropolymerisation zur Bildung einer Schicht eines leitenden Polymers führen kann.

Befasst man sich etwas näher mit diesem Konzept, so werden sofort verschiedene Vorteile offensichtlich: erstens gestattet es die kontrollierte Modifizierung eines Objekts unter Anwendung eines elektrochemischen Verfahrens ohne physikalisches Verbinden des Objekts mit einer Elektrode.

Das bedeutet, dass im Prinzip dieselben Vorgänge an Tausenden oder Millionen von Gegenständen gleichzeitig ausgelöst werden können, ein Ansatz, der für hochparallelisierte Vorrichtungen, wie integrierte Mikroelektrodenanordnungen, prädestiniert ist [4]. Ein zweites Argument für diese Technik ist die Tatsache, dass es sich dabei um einen der seltenen Ansätze handelt, die es ermöglichen, die Symmetrie bei einem Modifizierungsvorgang zu brechen, ohne von einer Oberfläche oder einer Grenzfläche Gebrauch zu machen. Es handelt sich also um einen einfachen Syntheseweg, um in großen Volumina asymetrische Teilchen zu erhalten. Diese asymetrischen Objekte, nach dem römischen Gott, der zwei verschiedene Gesichter besitzt, auch Janus-Partikel genannt, sind für das Studium fundamentaler und praktischer Aspekte der Mikro- und Nanotechnologie, wie direktionellem Selbstzusammenbau, Nanoelektronik, Photospaltung von Wasser und elektronisches Papier, äußerst wichtig.

Im Prinzip können die Ausgangsobjekte aus einem beliebigen leitfähigen Material beliebiger Dimensionen und Geometrie bestehen. Wie die Gleichung (1) jedoch zeigt, erfordert ein kleineres Objekt ein höheres externes elektrisches Feld, um für das Auslösen von Redoxreaktionen ausreichend polarisiert zu werden. Das stellt ein intrinsisches Problem dar, wenn es darum geht, Modifizierungen an Objekten von Nanometergröße auszuführen. Es lässt sich errechnen, dass in diesem Fall typische externe elektrische Felder einer Größenordnung von MV/m benötigt werden, um eine asymmetrische Modifizierung zu erreichen, wobei es sich um Werte handelt, die kaum mit normalen Laborbedingungen zu erreichen sind. Daher ist der Großteil der bisher unter Anwendung bipolarer Elektrochemie durchgeführten Arbeiten mit ziemlich großen Objekten erreicht worden, wobei es sich in den besten Fällen um Dimensionen im Submikrometerbereich gehandelt hat [5].

Die heutige Situation

Um die Probleme, die mit den oben erwähnten hohen Spannungen verbunden sind, wie Blasenbildung auf Grund von Lösungsmittelzersetzung und Rotation der Objekte, während der Modifizierung zu umgehen, kann man sich eines Systems bedienen, bei dem das Anoden- und das Kathodenkompartiment durch eine Kapillare getrennt werden (Abb. 2). Während die Objekte durch intrinsische elektroosmotische Strömung durch die Kapillare getrieben werden, werden sie gleichzeitig modifiziert, wenn die erforderlichen Substanzen, wie Metallsalze oder Monomere, in der Lösung vorliegen. Am Auslass der Kapillare können die Janus-Partikel ohne weiteres aufgefangen und daraufhin ihren charakteristischen Eigenschaften entsprechend klassifiziert werden. Diese Kapillar gestützte bipolare elektrochemische Abscheidung (CABED-Verfahren) ermöglicht die selektive Modifizierung von Objekten in Nanometergröße, weil Spannungen von insgesamt bis zu 50 kV angelegt werden können, was elektrischen Feldern, die fast im MV/m-Bereich liegen, entspricht, analog zu dem, was mit einer herkömmlichen kapillaren Elektrophoreseausrüstung routinemäßig erreicht wird [6].