Studio della configurazione degli elettrodi in sensori elettrochimici mediante simulazioni COMSOL

Modern computers today allow, thanks to continuous improvements in terms of computational power, to digitally recreate complex technological objects within dedicated software. Through multiphysics simulators it is possible to specify the physical-chemical properties of each component of the object to be simulated, as well as the experimental conditions of operation and use. The aim of this study is to simulate electrodes contained in electrochemical sensors using COMSOL software. Studies show that it is possible not only to recreate behaviors faithful to those obtained with real sensors, but also to range between combinations of numerous construction parameters and experimental conditions without requiring the physical construction of the sensor. This results in enormous improvements both on the side of design timing, as simulations make it possible to speed up the processes of optimization and study of the sensor to be produced, and on the side of understanding the physical laws of operation involved, allowing numerous quantitative and qualitative comparisons.

I computer moderni permettono, grazie ai continui miglioramenti in termini di potenza computazionale, di ricreare digitalmente oggetti tecnologici complessi all’interno di software dedicati. Tramite i simulatori multifisici è possibile specificare le proprietà fisico-chimiche di ogni componente dell’oggetto che si desidera simulare, nonché le condizioni sperimentali di funzionamento ed utilizzo. Lo studio che ho condotto si prefissa l’obiettivo di testare diverse configurazioni di celle elettrochimiche tramite il software COMSOL. Ho inizialmente riportato una introduzione dettagliata del lavoro di tesi, con particolare attenzione alle motivazioni di supporto a questi studi, ai metodi utilizzati e alle diverse combinazioni testate. Ho proseguito poi introducendo i concetti fisici fondanti delle celle elettrochimiche e delle tecniche di misura che si andranno a simulare. In particolare approfondisco gli aspetti teorici legati all’interazione tra elettrodo e soluzione elettrolitica, definendo le caratteristiche dei materiali e delle soluzioni coinvolte e introducendo il concetto di interfaccia elettrodo-elettrolita. Ho riportato le equazioni governanti le reazioni redox e la configurazione di cella a tre elettrodi con potenziostato, utilizzata per le misure elettrochimiche di nostro interesse e adottata dagli elettrodi screen-printed. Infine ho introdotto nel dettaglio le tecniche di misura di ciclovoltammetria ed EIS. Nella parte centrale dello scritto ho presentato i metodi utilizzati per lo svolgimento della tesi riportando, dopo una prima introduzione al software COMSOL, la modellazione del potenziostato e della cella di riferimento, ovvero la base di partenza per gli studi successivi. Segue una descrizione dettagliata di tutti gli studi effettuati con diverse configurazioni degli elettrodi, ottenute variando distanza, posizione e forma. In coda alla tesi ho commentato i risultati salienti, sottolineando i punti di forza e le limitazioni di ciascuna configurazione testata. Gli studi effettuati dimostrano in primo luogo che è possibile ottenere comportamenti fedeli a quelli ottenuti con sensori reali. È possibile spaziare tra combinazioni di numerosi parametri di costruzione e condizioni sperimentali, senza richiedere la costruzione fisica del sensore. Da questo ne conseguono enormi miglioramenti sia sul lato delle tempistiche di progettazione, in quanto le simulazioni rendono possibile velocizzare i processi di ottimizzazione e studio del sensore che si desidera produrre, sia sul lato della comprensione delle leggi fisiche di funzionamento coinvolte, permettendo numerosi confronti quantitativi e qualitativi.