Laddningar och deras transport är en integrerad del av elektroniska enheters funktion, batterier, och biologiska system. Laddningarna som ackumuleras vid gränsytan mellan en fast elektrod och en elektrolytisk lösning som innehåller joner som bär laddningar kan påverka interaktionen mellan elektrod och elektrolyt såväl som processer som korrosion och molekylär adhesion. Följaktligen, det är viktigt att få en tydlig bild av ackumulerade laddningar vid sådana gränssnitt för att förbättra vår förståelse av gränssnittsfenomen i en mängd olika system. Dock, avbildning av den tredimensionella (3-D) rumsliga fördelningen av ackumulerade laddningar vid gränssnitt har varit svårt eftersom det är utmanande att mäta den laterala laddningsfördelningen vid ett fast-vätskegränssnitt.

Ett team baserat vid Kanazawa University har utvecklat en mikroskopimetod som kallas 3-D öppen-loop elektrisk potentialmikroskopi (OL-EPM) för att visualisera den verkliga laddningsfördelningen i rymden vid gränssnittet mellan en elektrod och elektrolyt. Forskarna utvecklade 3D OL-EPM genom att först optimera sin befintliga tvådimensionella OL-EPM-teknik.

"Konventionell OL-EPM begränsas av påverkan av långdistansinteraktionen mellan provet och mikroskopspetsen och fribäraren, " säger den första författaren Kaito Hirata. "Vi minimerade detta inflytande genom att förbättra ekvationerna som används för att beräkna potentialen i OL-EPM."

Dessa förbättrade ekvationer gjorde det möjligt att subtrahera långdistanskraften som verkar på mikroskopspetsen och konsolen från de uppmätta data. Som ett resultat, kortdistanskrafterna som härrörde från laddningar ackumulerade i det elektriska dubbelskiktet observerades som förändringar av den lokala ytpotentialen. Förmågan hos de förbättrade ekvationerna att beräkna gränssnittsladdningsfördelningar bestämdes med användning av två elektroder med olika laddningsackumuleringsbeteende. De motsatta laddningsackumuleringsegenskaperna vid de två elektroderna fångades framgångsrikt med hjälp av de förbättrade OL-EPM-ekvationerna.

Den förbättrade OL-EPM-metoden kombinerades sedan med en 3-D-spetsskanningsteknik för att ge 3-D OL-EPM. Teamet använde 3-D OL-EPM för att visualisera laddningsackumuleringen vid gränssnittet mellan en koppartrådselektrod och saltelektrolyt. De erhållna resultaten gav värdefull information om laddningsfördelningen vid elektrod-elektrolytgränssnittet.

"Vi kan använda 3D OL-EPM för att undersöka elektrokemiska reaktioner och lokala lösningsförhållanden vid elektrod-elektrolytgränssnitt, " förklarar motsvarande författare Takeshi Fukuma. "Informationen som erhålls från sådana experiment är viktig för områden som elektrokemi, elektronik, och biologi."

Möjligheten att erhålla realrymddata om laddningsfördelningen i nanoskala vid elektroaktiva gränssnitt lovar att öka vår förståelse för gränssnittsfenomen och underlätta framsteg inom elektronik- och batteriforskning.