La micrografia di sfondo mostra la punta di un microscopio a forza atomica sulla superficie di una membrana di grafene (Gr) che copre un canale pieno di liquido. (Il raggio tipico della punta è di decine di nanometri.) Il diagramma in basso a sinistra illustra come viene inserito uno strato di grafene dello spessore di un atomo tra la punta e il liquido di interesse, che forma un doppio strato elettrico (EDL) sul grafene. La barriera al grafene impedisce un secondo, EDL indesiderato dalla formazione sulla punta, ma consente comunque al dispositivo di misurazione di mappare la variazione di tensione attraverso la superficie dell'EDL ad alta risoluzione. La micrografia in alto a destra mostra le variazioni di tensione misurate sulla superficie. Credito:NIST
I ricercatori del NIST hanno escogitato un modo per eliminare un problema di vecchia data che interessa la nostra comprensione sia delle cellule viventi che delle batterie.
Quando un solido e un liquido conduttore di elettricità entrano in contatto, un sottile strato di carica si forma tra di loro. Sebbene questa interfaccia, noto come doppio strato elettrico (EDL), ha uno spessore di pochi atomi, svolge un ruolo centrale in una vasta gamma di sistemi, come mantenere le cellule viventi nutrite e mantenere il funzionamento delle batterie, celle a combustibile, e alcuni tipi di condensatori.
Ad esempio, l'accumulo di un EDL su una membrana cellulare crea una differenza di tensione tra l'ambiente liquido esterno alla cellula e l'interno della cellula. La differenza di voltaggio attira ioni come il potassio dal liquido nella cellula, un processo essenziale per la sopravvivenza della cellula e la capacità di trasmettere segnali elettrici.
All'interno di una batteria, l'EDL che si forma tra un elettrodo solido e la soluzione elettrolitica in cui è immerso l'elettrodo governa le reazioni elettrochimiche che consentono alla carica di fluire attraverso il sistema.
Mappe dettagliate che mostrano esattamente come viene distribuita la carica su una superficie coperta da un EDL potrebbero portare a una migliore comprensione della funzione delle celle e migliorare la durata della batteria, ma i pochi metodi attualmente disponibili per studiare questo strato mancano della risoluzione spaziale ultrafine per catturare tali informazioni.
Una tecnica più promettente, utilizzando la punta elettricamente conduttiva di un microscopio a forza atomica (AFM), potrebbe, in teoria, produrre una mappa EDL che risolva caratteristiche piccole quanto diversi atomi di larghezza. Però, quando la punta è immersa in un liquido con una concentrazione di ioni sufficientemente alta da corrispondere a quella che si trova nelle batterie o all'esterno delle cellule viventi, si verifica un problema. Un secondo, forme EDL indesiderate sulla punta conduttrice, misurazioni confondenti dell'EDL che gli scienziati vogliono effettivamente misurare.
"Hai due doppi strati elettrici che interagiscono tra loro, interferendo con l'EDL che si desidera misurare e si finisce per non misurare nulla, ", ha affermato il ricercatore del NIST e dell'UMD Evgheni Strelcov.
Strelcov e i suoi colleghi hanno ora aggirato questa difficoltà, per la prima volta consentendo ai ricercatori di mappare le variazioni di tensione attraverso un foglio di EDL con precisione su scala nanometrica. (Le misurazioni della tensione indicano la distribuzione della carica dell'EDL lungo la superficie.) Per evitare la formazione dell'EDL spurio, i ricercatori hanno inserito una barriera, una sottile membrana di grafene, tra la punta della sonda e il liquido.
Con la punta non più a diretto contatto con il liquido, un foglio di carica non potrebbe più essere depositato sulla punta e interferire con le misurazioni. Inoltre, a differenza dei metalli ordinari, il grafene è relativamente trasparente al campo elettrico associato all'EDL di interesse, permettendogli di passare attraverso la membrana. Ciò ha consentito alla punta dell'AFM di mappare le variazioni della tensione EDL.
Strelcov e i suoi colleghi, tra cui il team leader Andrei Kolmakov del NIST e i collaboratori dell'Università di Aveiro in Portogallo e dell'Oak Ridge National Laboratory, descritto i loro risultati nelle Nano Letters del 28 gennaio. Il team ha utilizzato un modello di laboratorio di una soluzione elettrolitica trovata nelle batterie per dimostrare la loro tecnica con il grafene.
La carica elettrica dell'EDL non è distribuita uniformemente sulla superficie e le mappe ad alta risoluzione possono rivelare le regioni superficiali in cui le cariche si aggregano. L'irregolarità nella distribuzione della carica lungo la superficie crea punti caldi, dove i processi elettrochimici procedono più velocemente.
"La distribuzione dell'EDL sulla superficie è complessa e poiché controlla le reazioni elettrochimiche nelle batterie e nei sistemi biologici, dobbiamo capirlo a fondo per migliorare le prestazioni delle applicazioni, ", ha detto Strelcov.
