Ladingen en hun transport zijn een integraal onderdeel van de functie van elektronische apparaten, batterijen, en biologische systemen. De ladingen die zich ophopen op het grensvlak tussen een vaste elektrode en een elektrolytische oplossing die ionen bevat die ladingen dragen, kunnen de elektrode-elektrolyt-interactie beïnvloeden, evenals processen zoals corrosie en moleculaire adhesie. Bijgevolg, het is belangrijk om een ​​duidelijk beeld te krijgen van de geaccumuleerde ladingen op dergelijke interfaces om ons begrip van grensvlakfenomenen in een verscheidenheid aan systemen te verbeteren. Echter, het afbeelden van de driedimensionale (3-D) ruimtelijke verdeling van geaccumuleerde ladingen op grensvlakken was moeilijk omdat het een uitdaging is om de laterale ladingsverdeling op een vast-vloeibaar grensvlak te meten.

Een team van de Kanazawa University heeft een microscopie-benadering ontwikkeld, genaamd 3D open-loop electric potential microscopy (OL-EPM) om de ladingsverdeling in de echte ruimte op het grensvlak tussen een elektrode en elektrolyt te visualiseren. De onderzoekers ontwikkelden 3D OL-EPM door eerst hun bestaande tweedimensionale OL-EPM-techniek te optimaliseren.

"Conventionele OL-EPM wordt beperkt door de invloed van de interactie op lange afstand tussen het monster en de microscooppunt en cantilever, ", zegt de eerste auteur Kaito Hirata. "We hebben deze invloed geminimaliseerd door de vergelijkingen te verbeteren die worden gebruikt om de potentiaal in OL-EPM te berekenen."

Deze verbeterde vergelijkingen maakten het mogelijk om de lange-afstandskracht die op de punt van de microscoop en de cantilever werkt af te trekken van de gemeten gegevens. Als resultaat, de krachten op korte afstand die afkomstig zijn van ladingen die zich in de elektrische dubbellaag hebben opgehoopt, werden waargenomen als veranderingen van de lokale oppervlaktepotentiaal. Het vermogen van de verbeterde vergelijkingen om grensvlakladingsverdelingen te berekenen, werd bepaald met behulp van twee elektroden met een verschillend ladingsaccumulatiegedrag. De tegenovergestelde kenmerken van ladingsaccumulatie bij de twee elektroden werden met succes vastgelegd met behulp van de verbeterde OL-EPM-vergelijkingen.

De verbeterde OL-EPM-aanpak werd vervolgens gecombineerd met een 3D-tipscantechniek om 3D OL-EPM te verkrijgen. Het team gebruikte 3D OL-EPM om de ladingsaccumulatie op het grensvlak tussen een koperdraadelektrode en zoutelektrolyt te visualiseren. De verkregen resultaten leverden waardevolle informatie op over de ladingsverdeling op het elektrode-elektrolyt-interface.

"We kunnen 3-D OL-EPM gebruiken om elektrochemische reacties en lokale oplossingsomstandigheden op elektrode-elektrolyt-interfaces te onderzoeken, " legt de corresponderende auteur Takeshi Fukuma uit. "De informatie die uit dergelijke experimenten wordt verkregen, is belangrijk voor gebieden zoals elektrochemie, elektronica, en biologie."

De mogelijkheid om real-space gegevens te verkrijgen over de ladingsverdeling op nanoschaal op elektroactieve interfaces belooft ons begrip van grensvlakfenomenen te vergroten en de vooruitgang in elektronica en batterijonderzoek te bevorderen.