研究人员使用石墨烯解决已知的成像障碍

  • A+

石墨烯屏障解决成像问题图像


NIST的研究人员已使用石墨烯膜解决了一个长期存在的问题,该问题影响了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,但它在多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能力所必需的过程。

在电池内,在固体电极和电极浸入的电解质溶液之间形成的EDL控制着允许电荷流过系统的电化学反应。

更深入地了解电荷在EDL覆盖的表面上的确切分布方式可能会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)的导电尖端的一项有前途的技术可以产生可分辨小至几个原子宽的EDL映射特征。但是,当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。第二个不需要的EDL在导电尖端上形成,干扰了科学家实际想要测量的EDL的测量。

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设法规避了这一难题,这是第一次使研究人员能够以纳米级精度绘制整个EDL上电压的变化图。(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。

由于尖端不再与液体直接接触,因此电荷片不会出现在尖端上并且不会干扰测量。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,从而使其可以穿过膜。这使AFM尖端可以映射EDL电压的变化。

Strelcov和他的同事,包括NIST的团队负责人Andrei Kolmakov和葡萄牙阿威罗大学和Oak Ridge国家实验室的合作者,使用了一种在电池中发现的电解质溶液的实验室模型来证明他们的石墨烯技术。

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。沿着表面的电荷分布不均匀会产生热点,在热点处电化学过程会更快地进行。

Strelcov说:“整个表面的EDL分布很复杂,并且由于它控制着电池和生物系统中的电化学反应,因此我们必须彻底了解它,以改善应用程序的性能。”


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: