Gli oneri e il loro trasporto sono parte integrante della funzione dei dispositivi elettronici, batterie, e sistemi biologici. Le cariche che si accumulano all'interfaccia tra un elettrodo solido e una soluzione elettrolitica contenente ioni che trasportano cariche possono influenzare l'interazione elettrodo-elettrolita nonché processi come la corrosione e l'adesione molecolare. Di conseguenza, è importante ottenere un quadro chiaro delle cariche accumulate in tali interfacce per migliorare la nostra comprensione dei fenomeni interfacciali in una varietà di sistemi. Però, l'imaging della distribuzione spaziale tridimensionale (3D) delle cariche accumulate alle interfacce è stato difficile perché è difficile misurare la distribuzione della carica laterale in corrispondenza di un'interfaccia solido-liquido.

Un team con sede presso l'Università di Kanazawa ha sviluppato un approccio di microscopia chiamato microscopia del potenziale elettrico ad anello aperto 3-D (OL-EPM) per visualizzare la distribuzione di carica nello spazio reale all'interfaccia tra un elettrodo e un elettrolita. I ricercatori hanno sviluppato 3-D OL-EPM ottimizzando prima la loro tecnica OL-EPM bidimensionale esistente.

"L'OL-EPM convenzionale è limitato dall'influenza dell'interazione a lungo raggio tra il campione e la punta del microscopio e il cantilever, ", afferma il primo autore Kaito Hirata. "Abbiamo ridotto al minimo questa influenza migliorando le equazioni utilizzate per calcolare il potenziale in OL-EPM".

Queste equazioni migliorate hanno permesso di sottrarre la forza a lungo raggio che agisce sulla punta del microscopio e sul cantilever dai dati misurati. Di conseguenza, le forze a corto raggio originate dalle cariche accumulate nel doppio strato elettrico sono state osservate come variazioni del potenziale superficiale locale. La capacità delle equazioni migliorate di calcolare le distribuzioni di carica interfacciali è stata determinata utilizzando due elettrodi con diverso comportamento di accumulo di carica. Le caratteristiche di accumulo di carica opposta ai due elettrodi sono state catturate con successo utilizzando le equazioni OL-EPM migliorate.

L'approccio OL-EPM migliorato è stato quindi combinato con una tecnica di scansione della punta 3-D per fornire OL-EPM 3-D. Il team ha utilizzato 3-D OL-EPM per visualizzare l'accumulo di carica all'interfaccia tra un elettrodo a filo di rame e un elettrolita salino. I risultati ottenuti hanno fornito preziose informazioni sulla distribuzione di carica all'interfaccia elettrodo-elettrolita.

"Possiamo utilizzare 3-D OL-EPM per studiare le reazioni elettrochimiche e le condizioni della soluzione locale alle interfacce elettrodo-elettrolita, " spiega l'autore corrispondente Takeshi Fukuma. "Le informazioni ottenute da tali esperimenti sono importanti per campi come l'elettrochimica, elettronica, e biologia."

La capacità di ottenere dati nello spazio reale sulla distribuzione di carica su scala nanometrica alle interfacce elettroattive promette di aumentare la nostra comprensione dei fenomeni interfacciali e favorire il progresso nell'elettronica e nella ricerca sulle batterie.