Osservare la carica elettrica ultrarapida dei liquidi
I risultati estendono l'applicabilità a diversi sistemi, dalle membrane biologiche ai dispositivi di accumulo energetico di prossima generazione
Le superfici cariche a contatto con i liquidi, come le pareti delle cellule biologiche o gli elettrodi delle batterie, attraggono ioni di carica opposta dal liquido. Si creano così due regioni cariche distinte: la superficie stessa e una regione controcaricata nel liquido: il cosiddetto doppio strato elettrico. Sebbene sia fondamentale per i dispositivi di accumulo dell'energia, la velocità di formazione di questo strato è rimasta in sospeso. Un team di ricercatori ha ora sviluppato una tecnica basata sulla luce per osservare questo processo ultrarapido. I risultati convalidano i modelli precedenti ed estendono la loro applicabilità a diversi sistemi, dalle membrane biologiche ai dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione.
Che si tratti delle batterie delle auto elettriche, dove i portatori di carica vengono separati durante la carica per fornire energia per la guida, dei condensatori elettrolitici che si trovano in quasi tutti i dispositivi elettronici o dell'elettrolisi, dove l'acqua viene scomposta nei suoi componenti idrogeno e ossigeno: in tutti questi processi tecnologici, i portatori di carica nei liquidi devono muoversi verso un'interfaccia. Tali processi si ritrovano anche nei processi biologici del corpo umano e sono utilizzati per l'accumulo di energia.
Ciò che accomuna tutti i processi è la formazione di un cosiddetto "doppio strato elettrico" in corrispondenza di un'interfaccia: ai poli della batteria, alle piastre del condensatore, agli elettrodi nell'elettrolisi o alla membrana cellulare. Mentre un lato - ad esempio l'elettrodo - è carico negativamente, sul lato liquido si trova la corrispondente carica positiva sotto forma di ioni mobili. La rapidità con cui questi doppi strati, spessi solo pochi nanometri, possono formarsi o con cui reagiscono a una perturbazione è importante per capire quanto velocemente un dispositivo di accumulo di energia può assorbire e rilasciare l'energia elettrica, ad esempio per applicazioni come la ricarica delle batterie.
Per un basso numero di portatori di carica mobili, i modelli teorici e le misure hanno da tempo previsto queste dinamiche e possono descrivere bene il movimento degli ioni in questo doppio strato. Tuttavia, se il numero di portatori di carica aumenta, come avviene nei sistemi biologici ed è necessario per le batterie, le ipotesi di questi modelli vengono meno. È rimasto quindi un mistero come si formino esattamente i doppi strati elettrici.
"Finora non è stato possibile studiare i processi esatti coinvolti nella formazione del doppio strato", afferma Mischa Bonn, direttore dell'MPI per la ricerca sui polimeri. "Semplicemente non è possibile studiare processi che avvengono così rapidamente come il movimento degli ioni con i circuiti elettronici, perché i circuiti stessi possono fornire solo una risoluzione temporale limitata. Noi usiamo l'ottica ultraveloce per aggirare questa limitazione".
Pertanto, il team del Max Planck Institute for Polymer Research e dell'Università di Vienna ha utilizzato un metodo di misurazione ottica per studiare la formazione del doppio strato. A questo scopo, hanno aggiunto all'acqua un acido, che provoca la formazione di ioni positivi (H3O+). Questi ioni si dispongono preferenzialmente sulla superficie dell'acqua, dove formano un doppio strato elettrico. Un forte impulso laser nella gamma degli infrarossi è stato utilizzato per riscaldare la superficie, rimuovendo H3O+ dalla superficie e perturbando così il doppio strato. Indagando la superficie con ulteriori impulsi laser dopo un certo ritardo e rilevando la luce riflessa, sono stati in grado di quantificare come gli ioni si siano allontanati dalla superficie per raggiungere un nuovo equilibrio.
I risultati sperimentali sono stati combinati con simulazioni al computer. Ciò ha permesso di dimostrare che la formazione del doppio strato è causata principalmente dai campi elettrici, anche ad alte concentrazioni.
La nuova metodologia, pubblicata sulla rivista Science, apre nuove strade per lo studio di questi processi alle interfacce in un'ampia gamma di sistemi chimici e biologici. Inoltre, il team ha scoperto che anche le interfacce complesse possono essere descritte utilizzando modelli fisici relativamente semplici. I ricercatori confermano che i quadri teorici esistenti descrivono la formazione del doppio strato in modo estremamente accurato.
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