Los investigadores del NIST han ideado una manera de eliminar un problema de larga data que afecta nuestra comprensión tanto de las células vivas como de las baterías.

Cuando un sólido y un líquido conductor de electricidad entran en contacto, se forma una fina capa de carga entre ellos. Aunque esta interfaz, conocida como la doble capa eléctrica (EDL), tiene solo unos pocos átomos de espesor, juega un papel central en una amplia gama de sistemas, como mantener las células vivas nutridas y mantener el funcionamiento de las baterías, celdas de combustible, y ciertos tipos de condensadores.

Por ejemplo, la acumulación de una EDL en una membrana celular crea una diferencia de voltaje entre el entorno líquido fuera de la celda y el interior de la celda. La diferencia de voltaje atrae iones como el potasio del líquido a la celda, un proceso esencial para la supervivencia de la célula y su capacidad para transmitir señales eléctricas.

Dentro de una batería, la EDL que se forma entre un electrodo sólido y la solución de electrolito en la que está sumergido el electrodo gobierna las reacciones electroquímicas que permiten que la carga fluya a través del sistema.

Los mapas detallados que muestran exactamente cómo se distribuye la carga en una superficie cubierta por una EDL podrían conducir a una mejor comprensión de la función de la celda y mejorar la vida útil de la batería. pero los pocos métodos disponibles actualmente para estudiar esta capa carecen de la resolución espacial ultrafina para capturar dicha información.

Una técnica más prometedora, utilizando la punta conductora de electricidad de un microscopio de fuerza atómica (AFM), podría, en teoría, producir un mapa EDL que resuelva características tan pequeñas como varios átomos de ancho. Sin embargo, cuando la punta se sumerge en un líquido con una concentración de iones lo suficientemente alta como para coincidir con la que se encuentra en las baterías o en las células vivas externas, ocurre un problema. Un segundo, formas de EDL no deseadas en la punta conductora, confusas mediciones de la EDL que los científicos realmente quieren medir.

"Tienes dos capas dobles eléctricas que interactúan entre sí, interfiere con la EDL que desea medir y termina sin medir nada, ", dijo el investigador de NIST y UMD Evgheni Strelcov.

Strelcov y sus colegas ahora han superado esa dificultad, por primera vez, permite a los investigadores mapear variaciones de voltaje en una hoja de EDL con precisión a nanoescala. (Las mediciones de voltaje indican la distribución de la carga EDL a lo largo de la superficie). Para evitar que se forme la EDL espuria, los investigadores insertaron una barrera, una fina membrana de grafeno, entre la punta de la sonda y el líquido.

Con la punta ya no en contacto directo con el líquido, una hoja de carga ya no podría depositarse en la punta e interferir con las mediciones. Además, a diferencia de los metales ordinarios, el grafeno es relativamente transparente al campo eléctrico asociado con la EDL de interés, permitiendo que pase a través de la membrana. Eso permitió a la punta AFM mapear variaciones en el voltaje EDL.

Strelcov y sus colegas, incluido el líder del equipo Andrei Kolmakov de NIST y colaboradores de la Universidad de Aveiro en Portugal y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, describió sus hallazgos en las Nano Letters del 28 de enero. El equipo utilizó un modelo de laboratorio de una solución de electrolitos que se encuentra en las baterías para demostrar su técnica de grafeno.

La carga eléctrica de EDL no se distribuye uniformemente por la superficie y los mapas de alta resolución pueden revelar regiones de la superficie donde las cargas se agrupan. La desigualdad en la distribución de la carga a lo largo de la superficie crea puntos calientes, donde los procesos electroquímicos avanzan más rápido.

"La distribución de EDL en la superficie es compleja y, dado que controla las reacciones electroquímicas en baterías y sistemas biológicos, debemos entenderlo a fondo para mejorar el rendimiento de las aplicaciones, "dijo Strelcov.