国家标准与技术研究所 背景显微照片显示，原子力显微镜的尖端位于石墨烯薄膜(Gr)表面，覆盖着一个充满液体的通道
(典型的尖端半径是几十纳米
左下角的图表显示了一层一个原子厚的石墨烯是如何插入尖端和感兴趣的液体之间的，这在石墨烯上形成了双电层(EDL)
石墨烯屏障防止了第二个不需要的EDL在尖端形成，但仍然允许测量设备以高分辨率绘制EDL表面的电压变化
右上角的显微照片显示了测量到的表面电压变化
信用:NIST NIST大学的研究人员设计了一种方法来消除一个长期存在的问题，这个问题影响了我们对活细胞和电池的理解
当固体和导电液体接触时，它们之间形成一层薄电荷
尽管这种被称为双电层(EDL)的界面只有几个原子厚，但它在许多系统中起着核心作用，例如维持活细胞营养和维持电池、燃料电池和某些类型电容器的运行
例如，细胞膜上EDL的积聚会在细胞外的液体环境和细胞内部之间产生电压差
电压差将钾等离子从液体中吸入细胞，这一过程对细胞的生存和传输电信号的能力至关重要
在电池中，在固体电极和电极浸入的电解质溶液之间形成的EDL控制电化学反应，使电荷流过系统
精确显示电荷在EDL覆盖的表面上如何分布的详细地图可以帮助人们更好地理解电池功能并提高电池寿命，但目前研究这一层的少数方法缺乏捕捉此类信息的超精细空间分辨率
一种更有前途的技术，使用原子力显微镜的导电尖端，理论上可以产生一个EDL图，分辨小到几个原子宽的特征
然而，当尖端浸入离子浓度足够高的液体中以匹配电池或外部活细胞中的离子浓度时，就会出现问题
第二，导电尖端上形成了不想要的EDL，混淆了科学家们实际想要测量的EDL测量
“你有两个相互作用的双电层，干扰你想要测量的EDL，最终你什么也测量不到，”NIST和UMD的研究员埃夫根尼·斯特勒科夫说
斯特勒科夫和他的同事们现在已经克服了这个困难，第一次让研究人员能够以纳米级的精度绘制一片EDL上的电压变化
(电压测量表明EDL电荷沿表面的分布
)为了防止虚假的EDL形成，研究人员在探针尖端和液体之间插入了一层屏障——石墨烯薄膜
随着尖端不再与液体直接接触，一片电荷不再沉积在尖端上并干扰测量
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，允许它穿过膜
这使得原子力显微镜能够绘制EDL电压的变化
斯特里科夫和他的同事，包括NIST的团队负责人安德烈·科尔马科夫，以及来自葡萄牙阿威罗大学和橡树岭国家实验室的合作者，在1月26日描述了他们的发现
28个纳米字母
该团队使用电池中电解质溶液的实验室模型来展示他们的石墨烯技术
EDL的电荷不是均匀分布在整个表面，高分辨率的地图可以揭示电荷聚集的表面区域
沿着表面的电荷分布的不均匀性产生了热点，在那里电化学过程进行得更快
“EDL在整个表面的分布是复杂的，因为它控制着电池和生物系统中的电化学反应，我们必须彻底了解它，以提高应用的性能，”斯特勒科夫说
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