Levende celler og batterier:Lidt grafen rækker langt

Forskere ved NIST har udviklet en måde at eliminere et mangeårigt problem, der påvirker vores forståelse af både levende celler og batterier.

Når et fast stof og en elektrisk ledende væske kommer i kontakt, der dannes et tyndt ladningsark mellem dem. Selvom denne grænseflade, kendt som det elektriske dobbeltlag (EDL), er kun få atomer tykke, det spiller en central rolle i en lang række systemer, såsom at holde levende celler næret og opretholde driften af ​​batterier, brændstofceller, og visse kondensatorer.

For eksempel, opbygningen af ​​en EDL på en cellemembran skaber en spændingsforskel mellem de flydende omgivelser uden for cellen og cellens indre. Spændingsforskellen trækker ioner som kalium fra væsken ind i cellen, en proces, der er afgørende for cellens overlevelse og evne til at transmittere elektriske signaler.

Inden for et batteri, EDL, der dannes mellem en fast elektrode og elektrolytopløsningen, er elektroden nedsænket i, styrer de elektrokemiske reaktioner, der tillader ladning at strømme gennem systemet.

Detaljerede kort, der viser nøjagtigt, hvordan ladningen fordeles på en overflade, der er dækket af en EDL, kan føre til en bedre forståelse af cellens funktion og forbedre batterilevetiden, men de få metoder, der i øjeblikket er tilgængelige til at studere dette lag, mangler den ultrafine rumlige opløsning til at fange sådanne oplysninger.

En mere lovende teknik, ved hjælp af den elektrisk ledende spids af et atomkraftmikroskop (AFM), kunne - i teorien - producere et EDL -kort, der løser funktioner så små som flere atomer brede. Imidlertid, når spidsen er nedsænket i en væske med en koncentration af ioner, der er høj nok til at matche den, der findes i batterier eller uden for levende celler, der opstår et problem. Et sekund, uønskede EDL -former på den ledende spids, forvirrende målinger af EDL, som forskere faktisk ønsker at måle.

"Du har to elektriske dobbeltlag, der interagerer med hinanden, forstyrrer EDL, du vil måle, og du ender ikke med at måle noget, "sagde NIST- og UMD -forskeren Evgheni Strelcov.

Strelcov og hans kolleger har nu omgået denne vanskelighed, for første gang at tillade forskere at kortlægge variationer i spænding over et ark EDL med nanoskala præcision. (Spændingsmålinger angiver fordelingen af ​​EDL -ladning langs overfladen.) For at forhindre, at den falske EDL dannes, forskerne indsatte en barriere - en tynd membran af grafen - mellem sondens spids og væsken.

Da spidsen ikke længere er i direkte kontakt med væsken, et ladningsark kunne ikke længere deponeres på spidsen og forstyrre målingerne. Ud over, i modsætning til almindelige metaller, grafen er relativt gennemsigtig for det elektriske felt, der er forbundet med EDL af interesse, lader den passere gennem membranen. Det gjorde det muligt for AFM -spidsen at kortlægge variationer i EDL -spændingen.

Strelcov og hans kolleger, herunder teamleder Andrei Kolmakov fra NIST og samarbejdspartnere fra University of Aveiro i Portugal og Oak Ridge National Laboratory, beskrev deres fund i de 28. januar Nano Letters. Teamet brugte en laboratoriemodel af en elektrolytopløsning fundet i batterier til at demonstrere deres grafenteknik.

EDLs elektriske ladning fordeles ikke ensartet over overfladen, og kortene i høj opløsning kan afsløre overfladeregioner, hvor ladninger klumper sig sammen. Ujævnheder i ladningsfordelingen langs overfladen skaber hotspots, hvor elektrokemiske processer forløber hurtigere.

"EDL -fordelingen på tværs af overfladen er kompleks, og da den styrer de elektrokemiske reaktioner i batterier og biologiske systemer, vi skal forstå det grundigt for at forbedre applikationernes ydeevne, sagde Strelcov.