Forskare vid NIST har utarbetat ett sätt att eliminera ett långvarigt problem som påverkar vår förståelse av både levande celler och batterier.

När en fast och en elektriskt ledande vätska kommer i kontakt, ett tunt skikt av laddning bildas mellan dem. Även om detta gränssnitt, känt som det elektriska dubbelskiktet (EDL), är bara några få atomer tjock, det spelar en central roll i ett brett spektrum av system, som att hålla levande celler närde och bibehålla driften av batterier, bränsleceller, och vissa typer av kondensatorer.

Till exempel, uppbyggnaden av en EDL på ett cellmembran skapar en skillnad i spänning mellan vätskeomgivningarna utanför cellen och cellens inre. Spänningsskillnaden drar joner som kalium från vätskan in i cellen, en process som är väsentlig för cellens överlevnad och förmåga att överföra elektriska signaler.

Inom ett batteri, EDL som bildas mellan en fast elektrod och elektrolytlösningen som elektroden är nedsänkt i styr de elektrokemiska reaktionerna som tillåter laddning att flöda genom systemet.

Detaljerade kartor som visar exakt hur laddningen fördelas över en yta som täcks av en EDL kan leda till en bättre förståelse av cellfunktionen och förbättra batteritiden, men de få metoder som för närvarande är tillgängliga för att studera detta lager saknar den ultrafina rumsliga upplösningen för att fånga sådan information.

En mer lovande teknik, använda den elektriskt ledande spetsen på ett atomkraftmikroskop (AFM), skulle – i teorin – kunna producera en EDL-karta som löser egenskaper så små som flera atomer breda. Dock, när spetsen är nedsänkt i en vätska med en koncentration av joner som är tillräckligt hög för att matcha den som finns i batterier eller utanför levande celler, ett problem uppstår. En sekund, oönskade EDL bildas på den ledande spetsen, förvirrande mätningar av EDL som forskare faktiskt vill mäta.

"Du har två elektriska dubbla lager som interagerar med varandra, stör den EDL du vill mäta och det slutar med att du inte mäter någonting, " sa NIST och UMD-forskaren Evgheni Strelcov.

Strelcov och hans kollegor har nu kringgått den svårigheten, för första gången att tillåta forskare att kartlägga variationer i spänning över ett ark av EDL med nanoskala precision. (Spänningsmätningar indikerar fördelningen av EDL-laddning längs ytan.) För att förhindra att falsk EDL bildas, forskarna satte in en barriär – ett tunt membran av grafen – mellan sondens spets och vätskan.

Med spetsen inte längre i direkt kontakt med vätskan, ett laddningsark kunde inte längre läggas på spetsen och störa mätningarna. Dessutom, till skillnad från vanliga metaller, grafen är relativt transparent för det elektriska fältet som är associerat med EDL av intresse, låter den passera genom membranet. Det gjorde det möjligt för AFM-tipset att kartlägga variationer i EDL-spänningen.

Strelcov och hans kollegor, inklusive teamledare Andrei Kolmakov från NIST och medarbetare från University of Aveiro i Portugal och Oak Ridge National Laboratory, beskrev sina fynd i Nano Letters den 28 januari. Teamet använde en laboratoriemodell av en elektrolytlösning som finns i batterier för att demonstrera deras grafenteknik.

EDL:s elektriska laddning är inte jämnt fördelad över ytan och de högupplösta kartorna kan avslöja ytområden där laddningar klumpar ihop sig. Ojämnheter i laddningsfördelningen längs ytan skapar hotspots, där elektrokemiska processer går snabbare.

"EDL-fördelningen över ytan är komplex och eftersom den styr de elektrokemiska reaktionerna i batterier och biologiska system, vi måste förstå det grundligt för att förbättra applikationernas prestanda, sa Strelcov.