p Os pesquisadores do NIST desenvolveram uma maneira de eliminar um problema antigo que afeta nossa compreensão tanto das células vivas quanto das baterias. p Quando um sólido e um líquido condutor de eletricidade entram em contato, uma fina folha de carga se forma entre eles. Embora esta interface, conhecida como camada dupla elétrica (EDL), tem apenas alguns átomos de espessura, ele desempenha um papel central em uma ampla gama de sistemas, como manter as células vivas nutridas e manter o funcionamento das baterias, células de combustível, e certos tipos de capacitores.

p Por exemplo, o acúmulo de um EDL em uma membrana celular cria uma diferença de voltagem entre o ambiente líquido fora da célula e o interior da célula. A diferença de voltagem atrai íons como o potássio do líquido para a célula, um processo essencial para a sobrevivência da célula e capacidade de transmitir sinais elétricos.

p Dentro de uma bateria, o EDL que se forma entre um eletrodo sólido e a solução eletrolítica na qual o eletrodo está imerso governa as reações eletroquímicas que permitem que a carga flua através do sistema.

p Mapas detalhados que mostram exatamente como a carga é distribuída em uma superfície coberta por um EDL podem levar a uma melhor compreensão da função celular e melhorar a vida útil da bateria, mas os poucos métodos atualmente disponíveis para estudar essa camada carecem da resolução espacial ultrafina para capturar essas informações.

p Uma técnica mais promissora, usando a ponta eletricamente condutora de um microscópio de força atômica (AFM), poderia - em teoria - produzir um mapa EDL resolvendo recursos tão pequenos quanto vários átomos de largura. Contudo, quando a ponta está imersa em um líquido com uma concentração de íons alta o suficiente para corresponder à encontrada em baterias ou células vivas externas, ocorre um problema. Um segundo, formas de EDL indesejadas na ponta condutora, medidas confusas do EDL que os cientistas realmente querem medir.

p "Você tem duas camadas duplas elétricas interagindo uma com a outra, interferindo no EDL que você quer medir e você acaba não medindo nada, "disse o pesquisador do NIST e UMD, Evgheni Strelcov.

p Strelcov e seus colegas agora contornaram essa dificuldade, pela primeira vez, permitindo aos pesquisadores mapear as variações de voltagem em uma folha de EDL com precisão em nanoescala. (As medições de tensão indicam a distribuição da carga EDL ao longo da superfície.) Para evitar a formação de EDL espúrio, os pesquisadores inseriram uma barreira - uma membrana fina de grafeno - entre a ponta da sonda e o líquido.

p Com a ponta não mais em contato direto com o líquido, uma folha de carga não poderia mais ser depositada na ponta e interferir nas medições. Além disso, ao contrário de metais comuns, o grafeno é relativamente transparente para o campo elétrico associado ao EDL de interesse, permitindo que ele passe através da membrana. Isso permitiu que a ponta do AFM mapeasse as variações na tensão EDL.

p Strelcov e seus colegas, incluindo o líder da equipe Andrei Kolmakov do NIST e colaboradores da Universidade de Aveiro em Portugal e do Oak Ridge National Laboratory, descreveram suas descobertas nas Nano Letters de 28 de janeiro. A equipe usou um modelo de laboratório de uma solução eletrolítica encontrada em baterias para demonstrar sua técnica de grafeno.

p A carga elétrica da EDL não é distribuída uniformemente pela superfície e os mapas de alta resolução podem revelar regiões da superfície onde as cargas se agrupam. O desnível na distribuição de carga ao longo da superfície cria pontos de acesso, onde os processos eletroquímicos ocorrem mais rapidamente.

p "A distribuição de EDL pela superfície é complexa e, uma vez que controla as reações eletroquímicas em baterias e sistemas biológicos, devemos entendê-lo completamente para melhorar o desempenho dos aplicativos, "disse Strelcov.