Observação da carga eléctrica ultra-rápida de líquidos
Os resultados alargam a aplicabilidade a diversos sistemas, desde membranas biológicas a dispositivos de armazenamento de energia da próxima geração
As superfícies carregadas em contacto com líquidos - como as paredes das células biológicas ou os eléctrodos das pilhas - atraem iões de carga oposta do líquido. Isto cria duas regiões carregadas distintas: a própria superfície e uma região contra-carregada no líquido: a chamada dupla camada eléctrica. Embora seja fundamental para os dispositivos de armazenamento de energia, a velocidade da sua formação tem permanecido indefinida. Uma equipa de investigadores desenvolveu agora uma técnica baseada na luz para observar este processo ultrarrápido. Os resultados validam modelos anteriores e alargam a sua aplicabilidade a diversos sistemas, desde membranas biológicas a dispositivos de armazenamento de energia da próxima geração.
Quer seja nas baterias dos automóveis eléctricos, onde os portadores de carga são separados durante o carregamento para fornecer energia para a condução, nos condensadores electrolíticos que se encontram em quase todos os dispositivos electrónicos, ou na eletrólise, onde a água é decomposta nos seus componentes hidrogénio e oxigénio: em todos estes processos tecnológicos, os portadores de carga nos líquidos têm de se deslocar para uma interface. Estes processos podem também ser encontrados em processos biológicos no corpo humano e são utilizados para o armazenamento de energia.
O que todos os processos têm em comum é a formação da chamada "dupla camada eléctrica" numa interface - nos pólos da bateria, nas placas do condensador, nos eléctrodos da eletrólise ou na membrana celular. Enquanto um dos lados - por exemplo, o elétrodo - está carregado negativamente, a carga positiva correspondente, sob a forma de iões móveis, encontra-se no lado líquido. A rapidez com que estas camadas duplas, que têm apenas alguns nanómetros de espessura, se podem formar ou a rapidez com que reagem a uma perturbação é importante para compreender a rapidez com que um dispositivo de armazenamento de energia pode absorver e libertar energia eléctrica, por exemplo, para aplicações como o carregamento de baterias.
Para um número reduzido de portadores de carga móveis, os modelos teóricos e as medições há muito que prevêem esta dinâmica e podem descrever bem o movimento dos iões nesta dupla camada. No entanto, se o número de portadores de carga aumentar, como acontece nos sistemas biológicos e é necessário para as baterias, os pressupostos destes modelos deixam de funcionar. Por isso, continua a ser um mistério saber como se formam exatamente as camadas duplas eléctricas.
"Até agora, não foi possível estudar os processos exactos envolvidos na formação da dupla camada", afirma Mischa Bonn, Diretor do MPI para a Investigação de Polímeros. "Simplesmente não é possível estudar processos que ocorrem tão rapidamente como o movimento de iões com circuitos electrónicos, porque os próprios circuitos só podem fornecer uma resolução temporal limitada. Utilizamos a ótica ultra-rápida para contornar essa limitação".
Assim, a equipa do Instituto Max Planck de Investigação de Polímeros e da Universidade de Viena utilizou um método de medição ótica para estudar a formação da dupla camada. Para o efeito, adicionaram ácido à água, o que provoca a formação de iões positivos (H3O+). Estes iões dispõem-se preferencialmente na superfície da água, onde formam uma dupla camada eléctrica. Foi utilizado um forte impulso de laser na gama de infravermelhos para aquecer a superfície, removendo o H3O+ da superfície, perturbando assim a dupla camada. Investigando a superfície com outros impulsos de laser após um intervalo de tempo e detectando a luz reflectida, conseguiram quantificar a forma como os iões se afastaram da superfície para atingir um novo equilíbrio.
Combinaram os seus resultados experimentais com simulações em computador. Isto permitiu-lhes provar que a formação da dupla camada é causada principalmente por campos eléctricos, mesmo em concentrações elevadas.
A nova metodologia, agora publicada na revista Science, abre novos caminhos para o estudo destes processos nas interfaces de uma vasta gama de sistemas químicos e biológicos. Além disso, a equipa descobriu que mesmo as interfaces complexas podem ser descritas utilizando modelos físicos relativamente simples. Confirmam que os quadros teóricos existentes descrevem a formação da dupla camada com uma precisão notável.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
