Les charges et leur transport font partie intégrante du fonctionnement des appareils électroniques, piles, et les systèmes biologiques. Les charges qui s'accumulent à l'interface entre une électrode solide et une solution électrolytique contenant des ions porteurs de charges peuvent affecter l'interaction électrode-électrolyte ainsi que des processus tels que la corrosion et l'adhésion moléculaire. Par conséquent, il est important d'obtenir une image claire des charges accumulées à ces interfaces pour améliorer notre compréhension des phénomènes interfaciaux dans une variété de systèmes. Cependant, l'imagerie de la distribution spatiale tridimensionnelle (3-D) des charges accumulées aux interfaces a été difficile car il est difficile de mesurer la distribution des charges latérales à une interface solide-liquide.

Une équipe basée à l'Université de Kanazawa a développé une approche de microscopie appelée microscopie de potentiel électrique en boucle ouverte 3-D (OL-EPM) pour visualiser la distribution de charge dans l'espace réel à l'interface entre une électrode et l'électrolyte. Les chercheurs ont développé l'OL-EPM 3-D en optimisant d'abord leur technique OL-EPM bidimensionnelle existante.

"L'OL-EPM conventionnel est limité par l'influence de l'interaction à longue portée entre l'échantillon et la pointe du microscope et le porte-à-faux, " explique le premier auteur Kaito Hirata. " Nous avons minimisé cette influence en améliorant les équations utilisées pour calculer le potentiel en OL-EPM. "

Ces équations améliorées ont permis de soustraire la force à longue portée agissant sur la pointe du microscope et le porte-à-faux des données mesurées. Par conséquent, les forces à courte portée provenant des charges accumulées dans la double couche électrique ont été observées comme des changements du potentiel de surface local. La capacité des équations améliorées à calculer les distributions de charges interfaciales a été déterminée en utilisant deux électrodes avec un comportement d'accumulation de charge différent. Les caractéristiques d'accumulation de charge opposées aux deux électrodes ont été capturées avec succès à l'aide des équations OL-EPM améliorées.

L'approche OL-EPM améliorée a ensuite été combinée à une technique de balayage de pointe en 3D pour fournir un OL-EPM en 3D. L'équipe a utilisé l'OL-EPM 3-D pour visualiser l'accumulation de charge à l'interface entre une électrode en fil de cuivre et l'électrolyte de sel. Les résultats obtenus ont fourni des informations précieuses sur la répartition des charges à l'interface électrode-électrolyte.

"Nous pouvons utiliser l'OL-EPM 3-D pour étudier les réactions électrochimiques et les conditions de solution locales aux interfaces électrode-électrolyte, " explique l'auteur correspondant Takeshi Fukuma. " Les informations obtenues à partir de telles expériences sont importantes pour des domaines tels que l'électrochimie, électronique, et la biologie."

La capacité d'obtenir des données dans l'espace réel sur la distribution de charge à l'échelle nanométrique aux interfaces électroactives promet d'améliorer notre compréhension des phénomènes interfaciaux et de contribuer aux progrès de la recherche en électronique et en batterie.