Surfaces chargées en contact avec des liquides – tels que les parois cellulaires biologiques ou les électrodes de batterie – attirant des ions chargés de charge opposée du liquide. Cela crée deux régions chargées distinctes: la surface elle-même et une région contre-chargée dans le liquide: la double couche dite électrique. Bien que les dispositifs essentiels de stockage d'énergie, la vitesse de sa formation est restée insaisissable.
Une équipe de chercheurs a maintenant développé une technique basée sur la lumière pour observer ce processus ultra-rapide. Les résultats valident les modèles précédents et étendent leur applicabilité à divers systèmes, des membranes biologiques aux dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération.
L'œuvre est publiée dans la revue Science.
Que ce soit dans les batteries des voitures électriques, où les porteurs de charge sont séparés pendant la charge pour fournir de l'énergie pour la conduite, dans les condensateurs électrolytiques qui peuvent être trouvés dans presque tous les dispositifs électroniques, ou en électrolyse, où l'eau est décomposée en composants, l'hydrogène et l'oxygène: dans tous ces processus technologiques, les porteurs de charge dans les liquides doivent se déplacer vers une interface. Ces processus peuvent également être trouvés dans les processus biologiques du corps humain et sont utilisés pour le stockage d'énergie.
Ce que tous les processus ont en commun, c'est qu'une soi-disant «double couche électrique» se forme à une interface – aux pôles de la batterie, aux plaques du condensateur, aux électrodes en électrolyse ou à la membrane cellulaire.
Alors qu'un côté – l'EG Electrode – est chargé négativement, la charge positive correspondante sous forme d'ions mobiles est trouvée du côté liquide. La rapidité avec laquelle ces doubles couches, qui n'ont que quelques nanomètres d'épaisseur, peuvent se former ou à quelle vitesse ils réagissent à une perturbation est important pour comprendre la rapidité avec laquelle un dispositif de stockage d'énergie peut prendre et libérer l'énergie électrique, par exemple, pour des applications telles que la charge de batterie.
Pour un faible nombre de transporteurs de charge mobiles, les modèles et mesures théoriques ont longtemps prédit ces dynamiques et peuvent décrire le mouvement des ions dans cette double couche. Cependant, si le nombre de porteurs de charge est augmenté, comme dans les systèmes biologiques et est nécessaire aux batteries, les hypothèses de ces modèles se décomposent. Il est donc resté un mystère à quel point les couches doubles électriques se forment.
« Jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'étudier les processus exacts impliqués dans la formation de la double couche », explique Mischa Bonn, directeur du MPI pour la recherche sur les polymères.
« Il n'est tout simplement pas possible d'étudier des processus qui se déroulent aussi rapidement que le mouvement des ions avec des circuits électroniques, car les circuits eux-mêmes ne peuvent fournir qu'une résolution temporelle limitée. Nous utilisons une optique ultra-rapide pour contourner cette limitation. »
Par conséquent, l'équipe du Max Planck Institute for Polymer Research et de l'Université de Vienne a utilisé une méthode de mesure optique pour étudier la formation de la double couche. À cette fin, ils ont ajouté de l'acide à l'eau, ce qui provoque des ions positifs (H3O+) pour former.
Ces ions s'organisent préférentiellement à la surface de l'eau, où ils forment une double couche électrique. Une forte impulsion laser dans la gamme infrarouge a été utilisée pour chauffer la surface, en éliminant H3O+ de la surface, perturbant ainsi la double couche. En étudiant la surface avec d'autres impulsions laser après un délai et en détectant la lumière réfléchie, ils ont pu quantifier comment les ions se sont éloignés de la surface pour atteindre un nouvel équilibre.
Ils ont combiné leurs résultats expérimentaux avec des simulations informatiques. Cela leur a permis de prouver que la formation de la double couche est principalement causée par des champs électriques, même à des concentrations élevées.
La nouvelle méthodologie ouvre de nouvelles façons d'étudier ces processus dans les interfaces dans un large éventail de systèmes chimiques et biologiques. De plus, l'équipe a constaté que même des interfaces complexes peuvent être décrites en utilisant des modèles physiques relativement simples.
Ils confirment que les cadres théoriques existants décrivent remarquablement la formation de double couche avec précision.
