活细胞和电池:少量的石墨烯可以帮助您

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仔细观察活细胞和电池:一点点石墨烯可以帮助您

背景显微照片显示了覆盖液体填充通道的石墨烯膜(Gr)表面上的原子力显微镜尖端。(典型的尖端半径为数十纳米。)左下图说明了如何在尖端与目标液体之间插入一层一个原子厚的石墨烯层,从而在石墨烯上形成双电层(EDL)。石墨烯阻挡层可防止在尖端形成第二个不需要的EDL,但仍允许测量设备以高分辨率绘制EDL表面的电压变化。右上方的显微照片显示了整个表面上测得的电压变化。图片来源:NIST

NIST的研究人员已经设计出一种方法,以消除一个长期存在的问题,这些问题影响了我们对活细胞和电池的理解。

当固体和导电液体接触时,它们之间会形成薄薄的电荷。尽管此接口被称为双电层(EDL),厚度只有几个原子,但它在各种系统中起着核心作用,例如保持活细胞的营养并维持电池,燃料电池和某些类型的电容器。

例如,EDL在细胞膜上的积聚会在细胞外部的液体环境与细胞内部之间产生电压差。电压差将诸如钾等离子从液体吸入细胞,这是细胞存活和传输电信号的能力必不可少的过程。

在电池内,在固体电极与电极浸入的电解质溶液之间形成的EDL控制着电化学反应,该反应使电荷流过系统。

详细的地图可以准确显示电荷在EDL覆盖的整个表面上的分布方式,从而可以更好地理解电池功能并改善电池寿命,但是目前研究该层的几种方法缺乏超精细的空间分辨率来捕获此类电荷。信息。

从理论上讲,使用原子力显微镜(AFM)的导电尖端的另一种更有前途的技术可以生成EDL图解析特征,该解析特征可小至几个原子宽。但是,当将尖端浸入离子浓度高到足以匹配电池或活细胞外部离子的液体中时,就会出现问题。第二个有害的EDL会在导电尖端上形成,这混淆了科学家实际想要测量的EDL的测量结果。

NIST和UMD研究人员Evgheni Strelcov说:“您有两个相互影响的电气双层,干扰了您要测量的EDL,最终您什么也没测量。”

Strelcov和他的同事们现在已经绕过了这一难题,这使研究人员第一次能够以纳米级精度绘制整个EDL上的电压变化图。(电压测量值表明EDL电荷在表面上的分布。)为防止形成虚假的EDL,研究人员在探针的尖端和液体之间插入了一层石墨烯薄膜。

由于针尖不再与液体直接接触,因此无法再在针尖上沉积电荷片并干扰测量。此外,与普通金属不同,石墨烯对与感兴趣的EDL相关的电场相对透明,从而使其穿过膜。这使AFM尖端能够映射EDL电压的变化。

Strelcov和他的同事,包括NIST的团队负责人Andrei Kolmakov以及葡萄牙阿威罗大学和橡树岭国家实验室的合作者,在1月28日的Nano Letter中描述了他们的发现。该团队使用在电池中发现的电解质溶液的实验室模型来证明其石墨烯技术。

EDL的电荷在整个表面上分布不均匀,高分辨率地图可以显示电荷聚集在一起的表面区域。沿表面的电荷分布不均匀会产生热点,在这些热点处电化学过程进行得更快。

Strelcov说:“整个表面的EDL分布很复杂,因为它控制着电池和生物系统中的电化学反应,所以我们必须彻底了解它,以改善应用的性能。”



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