Tarkkailla nesteiden ultranopeaa sähkövarausta

Nesteiden kanssa kosketuksiin joutuvat varautuneet pinnat – kuten biologiset solun seinämät tai akkuelektrodit – houkuttelevat vastakkaisesti varautuneita ioneja nesteestä. Tämä luo nesteeseen kaksi erillistä varattua aluetta: itse pinta ja vastavarattu alue: niin sanottu sähköinen kaksoiskerros. Vaikka se on keskeistä energian varastointilaitteille, sen muodostumisnopeus on jäänyt vaikeaksi ymmärtää.

Max Planck Institute for Polymer Researchin ja Wienin yliopiston yhteinen tutkijaryhmä on nyt kehittänyt valoon perustuvan tekniikan tämän erittäin nopean prosessin tarkkailemiseksi. Tulokset validoivat aiempia malleja ja laajentavat niiden sovellettavuutta erilaisiin järjestelmiin biologisista kalvoista seuraavan sukupolven energian varastointilaitteisiin.

Olipa kyse sähköautojen akuista, joissa varauksenkuljettajat erotetaan latauksen aikana ajoenergiaksi, elektrolyyttikondensaattoreista, joita löytyy melkein kaikista elektronisista laitteista, tai elektrolyysissä, jossa vesi hajoaa osiinsa vedyksi ja hapeksi: kaikissa näissä teknologisissa prosesseissa nesteissä olevien varauksenkuljettajien on siirryttävä kohti rajapintaa.

Tällaisia prosesseja löytyy myös ihmiskehon biologisista prosesseista ja niitä käytetään energian varastointiin.

Kaikille prosesseille on yhteistä se, että rajapinnalle muodostuu ns. "sähköinen kaksoiskerros" – akun napoihin, kondensaattorin levyihin, elektrolyysielektrodeihin tai solukalvoon. Kun toinen puoli – esim. elektrodi – on negatiivisesti varautunut, vastaava positiivinen varaus liikkuvien ionien muodossa löytyy nestepuolelta.

Se, kuinka nopeasti nämä vain muutaman nanometrin paksuiset kaksoiskerrokset voivat muodostua tai kuinka nopeasti ne reagoivat häiriöihin, on tärkeää jotta ymmärretään, kuinka nopeasti energian varastointilaite voi ottaa vastaan ja vapauttaa sähköenergiaa esimerkiksi sovelluksissa, kuten akun latauksessa.

"Tähän mennessä kaksoiskerroksen muodostumiseen liittyviä tarkkoja prosesseja ei ole ollut mahdollista tutkia", sanoo Mischa Bonn, MPI for Polymer Researchin johtaja. "Ei yksinkertaisesti ole mahdollista tutkia prosesseja, jotka tapahtuvat yhtä nopeasti kuin ionien liike elektronisilla piireillä, koska itse piirit voivat tarjota vain rajoitetun ajallisen resoluution. Käytämme ultranopeaa optiikkaa tämän rajoituksen kiertämiseen."

Kokeidensa tulokset he yhdistivät tietokonesimulaatioihin ja pystyivät siten osoittamaan, että kaksoiskerroksen muodostuminen johtuu ensisijaisesti sähkökentistä, jopa korkeilla pitoisuuksilla.

Uusi metodologia, jonka he ovat nyt julkaisseet Science-lehdessä, avaa uusia tapoja tutkia tällaisia prosesseja rajapinnoilla useissa kemiallisissa ja biologisissa järjestelmissä.

Lisäksi ryhmä havaitsi, että monimutkaisetkin rajapinnat voidaan kuvailla suhteellisen yksinkertaisilla fyysisillä malleilla. Ne vahvistavat, että olemassa olevat teoreettiset viitekehykset kuvaavat kaksoiskerroksen muodostumista erittäin tarkasti.

Aiheesta aiemmin:

Elokuva valoherätteisistä varauksista

Nanokamera seuraa kemiallisia reaktioita