La micrographie d'arrière-plan montre une pointe de microscope à force atomique sur la surface d'une membrane de graphène (Gr) recouvrant un canal rempli de liquide. (Le rayon de pointe typique est de dizaines de nanomètres.) Le diagramme en bas à gauche illustre comment une couche de graphène d'un atome d'épaisseur est insérée entre la pointe et le liquide d'intérêt, qui forme une double couche électrique (EDL) sur le graphène. La barrière de graphène empêche une seconde, EDL indésirable de se former sur la pointe mais permet toujours à l'appareil de mesure de cartographier la variation de tension à travers la surface de l'EDL à haute résolution. La micrographie en haut à droite montre les variations de tension mesurées à travers la surface. Crédit :NIST
Des chercheurs du NIST ont mis au point un moyen d'éliminer un problème de longue date affectant notre compréhension à la fois des cellules vivantes et des batteries.
Lorsqu'un solide et un liquide électriquement conducteur entrent en contact, une fine feuille de charge se forme entre eux. Bien que cette interface, connu sous le nom de double couche électrique (EDL), n'a que quelques atomes d'épaisseur, il joue un rôle central dans un large éventail de systèmes, comme maintenir les cellules vivantes nourries et maintenir le fonctionnement des batteries, réservoirs de carburant, et certains types de condensateurs.
Par exemple, l'accumulation d'une EDL sur une membrane cellulaire crée une différence de tension entre l'environnement liquide à l'extérieur de la cellule et l'intérieur de la cellule. La différence de tension attire des ions tels que le potassium du liquide dans la cellule, un processus essentiel pour la survie de la cellule et sa capacité à transmettre des signaux électriques.
Dans une batterie, l'EDL qui se forme entre une électrode solide et la solution d'électrolyte dans laquelle l'électrode est immergée régit les réactions électrochimiques qui permettent à la charge de s'écouler à travers le système.
Des cartes détaillées qui montrent exactement comment la charge est répartie sur une surface couverte par une EDL pourraient conduire à une meilleure compréhension de la fonction des cellules et améliorer la durée de vie de la batterie, mais les quelques méthodes actuellement disponibles pour étudier cette couche n'ont pas la résolution spatiale ultra-fine pour capturer de telles informations.
Une technique plus prometteuse, à l'aide de la pointe électriquement conductrice d'un microscope à force atomique (AFM), pourrait – en théorie – produire une carte EDL résolvant des caractéristiques aussi petites que plusieurs atomes de large. Cependant, lorsque la pointe est immergée dans un liquide avec une concentration d'ions suffisamment élevée pour correspondre à celle trouvée dans les batteries ou à l'extérieur des cellules vivantes, un problème survient. Une seconde, formes EDL indésirables sur la pointe conductrice, confondre les mesures de l'EDL que les scientifiques veulent réellement mesurer.
"Vous avez deux doubles couches électriques qui interagissent l'une avec l'autre, interférer avec l'EDL que vous voulez mesurer et vous finissez par ne rien mesurer, " a déclaré Evgheni Strelcov, chercheur au NIST et à l'UMD.
Strelcov et ses collègues ont désormais contourné cette difficulté, pour la première fois, permettant aux chercheurs de cartographier les variations de tension à travers une feuille d'EDL avec une précision à l'échelle nanométrique. (Les mesures de tension indiquent la distribution de la charge EDL le long de la surface.) Pour empêcher la formation d'EDL parasite, les chercheurs ont inséré une barrière, une fine membrane de graphène, entre la pointe de la sonde et le liquide.
L'embout n'étant plus en contact direct avec le liquide, une feuille de charge ne pouvait plus se déposer sur la pointe et interférer avec les mesures. En outre, contrairement aux métaux ordinaires, le graphène est relativement transparent au champ électrique associé à l'EDL d'intérêt, lui permettant de traverser la membrane. Cela a permis à la pointe AFM de cartographier les variations de la tension EDL.
Strelcov et ses collègues, y compris le chef d'équipe Andrei Kolmakov du NIST et des collaborateurs de l'Université d'Aveiro au Portugal et du Laboratoire national d'Oak Ridge, ont décrit leurs découvertes dans les Nano Letters du 28 janvier. L'équipe a utilisé un modèle de laboratoire d'une solution d'électrolyte trouvée dans les batteries pour démontrer leur technique au graphène.
La charge électrique de l'EDL n'est pas répartie uniformément sur la surface et les cartes haute résolution peuvent révéler des régions de surface où les charges s'agglutinent. L'irrégularité de la répartition des charges le long de la surface crée des points chauds, où les processus électrochimiques se déroulent plus rapidement.
"La distribution de l'EDL à travers la surface est complexe et puisqu'elle contrôle les réactions électrochimiques dans les batteries et les systèmes biologiques, il faut bien le comprendre pour améliorer les performances des applications, " a déclaré Strelcov.
