Onderzoekers van NIST hebben een manier bedacht om een ​​al lang bestaand probleem op te lossen dat ons begrip van zowel levende cellen als batterijen aantast.

Wanneer een vaste stof en een elektrisch geleidende vloeistof met elkaar in contact komen, daartussen vormt zich een dunne laag lading. Hoewel deze interface, bekend als de elektrische dubbellaags (EDL), is slechts enkele atomen dik, het speelt een centrale rol in een breed scala aan systemen, zoals het voeden van levende cellen en het in stand houden van de werking van batterijen, brandstofcellen, en bepaalde soorten condensatoren.

Bijvoorbeeld, de opbouw van een EDL op een celmembraan creëert een verschil in spanning tussen de vloeibare omgeving buiten de cel en het binnenste van de cel. Het spanningsverschil trekt ionen zoals kalium uit de vloeistof de cel in, een proces dat essentieel is voor het overleven van de cel en het vermogen om elektrische signalen te verzenden.

Binnen een batterij, de EDL die zich vormt tussen een vaste elektrode en de elektrolytoplossing waarin de elektrode is ondergedompeld, regelt de elektrochemische reacties waardoor lading door het systeem kan stromen.

Gedetailleerde kaarten die precies laten zien hoe de lading wordt verdeeld over een oppervlak dat wordt bedekt door een EDL, kunnen leiden tot een beter begrip van de celfunctie en een langere levensduur van de batterij, maar de weinige methoden die momenteel beschikbaar zijn om deze laag te bestuderen, missen de ultrafijne ruimtelijke resolutie om dergelijke informatie vast te leggen.

Een meer veelbelovende techniek, met behulp van de elektrisch geleidende punt van een atoomkrachtmicroscoop (AFM), zou - in theorie - een EDL-kaart kunnen produceren die functies zo klein als enkele atomen breed oplost. Echter, wanneer de punt wordt ondergedompeld in een vloeistof met een ionenconcentratie die hoog genoeg is om overeen te komen met die in batterijen of buiten levende cellen, een probleem optreedt. Een seconde, ongewenste EDL-vormen op de geleidende tip, verwarrende metingen van de EDL die wetenschappers eigenlijk willen meten.

"Je hebt twee elektrische dubbele lagen die met elkaar in wisselwerking staan, interfereert met de EDL die u wilt meten en u uiteindelijk niets meet, " zei NIST en UMD-onderzoeker Evgheni Strelcov.

Strelcov en zijn collega's hebben die moeilijkheid nu omzeild, voor het eerst kunnen onderzoekers variaties in spanning over een vel EDL met precisie op nanoschaal in kaart brengen. (Spanningsmetingen geven de verdeling van EDL-lading langs het oppervlak aan.) Om te voorkomen dat de valse EDL wordt gevormd, de onderzoekers plaatsten een barrière - een dun membraan van grafeen - tussen de punt van de sonde en de vloeistof.

Met de punt niet meer in direct contact met de vloeistof, een laag lading kon niet langer op de punt worden afgezet en de metingen verstoren. In aanvulling, in tegenstelling tot gewone metalen, grafeen is relatief transparant voor het elektrische veld geassocieerd met de EDL van belang, waardoor het door het membraan kan. Dat stelde de AFM-tip in staat variaties in de EDL-spanning in kaart te brengen.

Strelcov en zijn collega's, waaronder teamleider Andrei Kolmakov van NIST en medewerkers van de Universiteit van Aveiro in Portugal en Oak Ridge National Laboratory, beschreven hun bevindingen in de Nano Letters van 28 januari. Het team gebruikte een laboratoriummodel van een elektrolytoplossing in batterijen om hun grafeentechniek te demonstreren.

De elektrische lading van EDL is niet gelijkmatig over het oppervlak verdeeld en de kaarten met hoge resolutie kunnen oppervlaktegebieden onthullen waar ladingen samenklonteren. Oneffenheden in de ladingsverdeling langs het oppervlak zorgen voor hotspots, waar elektrochemische processen sneller verlopen.

"De EDL-distributie over het oppervlak is complex en aangezien het de elektrochemische reacties in batterijen en biologische systemen regelt, we moeten het grondig begrijpen om de prestaties van de applicaties te verbeteren, ' zei Strelcov.