Chemie Diplomarbeit / FakultÃ¤t fÃ¼r Chemie und Pharmazie ...

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selben Einheit [mC/cm 2 ] angegeben, berücksichtigt jedoch nicht die im physiologischen System bei der Stimulation an der Elektrode wirklich ablaufenden Prozesse). Je größer das reversible Ladungsübertragungslimit eines Elektrodenmaterials in einer gegebenen Umgebung ist, desto mehr Ladungen können reversibel an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzschicht ausgetauscht werden, ohne irreversible Nebenprodukte in einem Redoxprozeß zu erzeugen. Für eine kapazitive Neurostimulation ist ein hohes reversibles Ladungsübertragungslimit wünschenswert, um Leckströme in den Elektrolyten und einhergehende denkbare Redoxprozesse an der Elektrode zu vermeiden. 1.3.5.2 .2 Beschreibung des Spannungsabfalls an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche Folgende Modelle haben sich etabliert: HELMHOLTZ-PERRIN (ca.1900): Zweidimensionale hydratisierte Ladungen in der Lösung befinden sich am Ort der äußeren HELMHOLTZschicht. Dies entspricht einem parallelen Plattenkondensator mit linearem Spannungsabfall zwischen Elektrode und äußerer HELMHOLTZschicht. GOUY-CHAPMAN: Modell der diffusen Raumladung: Es existiert weder eine immobile Schicht hydratisierter Ionen am Ort der äußeren HELMHOLTZschicht noch ein linearer Spannungsabfall zwischen Elektrode und äußerer HELMHOLTZschicht. Stattdessen wird ein exponentieller Spannungsabfall hinter der Elektrodenoberfläche in die Lösung hinein angenommen. Das Modell liefert Kapazitätswerte, die sich mit angelegter Spannung stärker verändern, als es Messungen zeigen. Außerdem wird kein Plateauwert vorhergesagt, wie ihn reale Systeme mit zunehmender angelegter Spannung aufweisen. STERN-Modell: Kombination aus den HELMHOLTZ-PERRIN- und GOUY-CHAPMAN-Modellen: Annahme eines linearen Spannungsabfalls zwischen innerer und äußerer HELMHOLTZschicht und eines exponentiellen Spannungsabfalls jenseits davon. Die gebildete Ladungsdoppelschicht aus Elektronen auf der Metalloberfläche und der durch die innere HELMHOLTZschicht aus orientierten Wassermolekülen davon getrennten Schicht aus hydratisierten positiven Metallionen in der Lösung repräsentiert eine Kapazität mit der Fläche der Elektrodenoberfläche, dem Abstand der Dicke der inneren HELMHOLTZschicht einschließlich der Hydrathülle der hydratisierten Metallionen, deren erste Lage die äußere 21
Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern HELMHOLTZschicht bildet, und der Dielektrizitätskonstanten des Wassers, das als Dielektrikum in der inneren HELMHOLTZschicht zwischen den „Kondensatorplatten“ Elektrodenoberfläche und Ionenschicht liegt. Annahme ist dabei ein linearer Potentialabfall zwischen den Kondensatorplatten wie im elektrischen Fall eines idealen parallelen Plattenkondensators. C = Q V (1-3) A C = ε ε r d 0 (1-4) Q: effektive Ladung auf den „Kondensatorplatten“ [C]; V: Spannung zwischen den Kondensatorplatten [V=J·C - 1 ]; ε o : elektrische Feldkonstante: 8.854·10 -12 F·m -1 ; ε r : Dielektrizitätskonstante des Wassers: 81; A: geometrische Elektrodenoberfläche [m 2 ]; d: Dicke der inneren HELMHOLTZschicht incl. der hydratisierten Metallionen [m]. Im Experiment zeigt sich, daß die Kapazität potentialabhängig ist, was das HELMHOLTZ- PERRIN-Modell nicht voraussagt. Beim Anlegen eines dem sich natürlich ausbildenden elektrochemischen Potential entgegengesetzten Potentials (V in Gleichung (1-3) wird kleiner, C damit größer) wird sich die Elektronenkonzentration in der Elektrode erhöhen, d.h. es können weniger Metallatome als Ionen in Lösung gehen, da sich bildende Ionen stärker von den negativen Überschußladungen in und auf der Elektrode zurückgezogen werden; der Plattenabstand wird also abnehmen und damit die Kapazität zunehmen; die Spannung über der inneren HELMHOLTZschicht nimmt damit schließlich auch ab. + + + + + V = V V = V + V ges nat ges nat äuß + + - - - - - - - - - - - - - - Abbildung 14: Vergleich der Metallionenverteilung an einer Metallelektrode/Elektrolyt-Grenzschicht, wenn nur das sich durch Dissoziation einstellende Gleichgewichtspotential V nat zwischen positiven Ionen in der Lösung und zurückgebliebenen Elektronen in der Elektrode wirkt (links), und Verschiebung der Ionen in Richtung der Elektrodenoberfläche, sobald ein äußeres Potential V äuß entgegengesetzt zum Gleichgewichtspotential V nat wirkt. 22
Seite 1 und 2: Modifikation und Charakterisierung
Seite 21: Modifikation und Charakterisierung
Seite 29 und 30: 1 ZC = − i ⋅ ω ⋅ C (2-5) Z X
Seite 69: Modifikation und Charakterisierung

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