İster elektrikli arabaların akülerinde, şarj sırasında sürüş için enerji sağlamak üzere yük taşıyıcılarının ayrıldığı yerlerde, ister hemen hemen her elektronik cihazda bulunabilen elektrolitik kapasitörlerde, ister suyun hidrojen ve oksijen bileşenlerine ayrıldığı elektrolizde olsun: tüm bu teknolojik süreçlerde, sıvılardaki yük taşıyıcıları bir arayüze doğru hareket etmek zorundadır. Bu tür süreçler insan vücudundaki biyolojik süreçlerde de bulunabilir ve enerji depolamak için kullanılır.

Tüm süreçlerin ortak noktası, pilin kutuplarında, kapasitörün plakalarında, elektrolizdeki elektrotlarda veya hücre zarında bir arayüzde sözde "elektriksel çift katman" oluşmasıdır. Bir taraf -örneğin elektrot- negatif yüklüyken, hareketli iyonlar biçimindeki karşılık gelen pozitif yük sıvı tarafta bulunur. Sadece birkaç nanometre kalınlığında olan bu çift katmanların ne kadar hızlı oluşabileceği veya bir bozulmaya ne kadar hızlı tepki vereceği, bir enerji depolama cihazının elektrik enerjisini ne kadar hızlı alıp verebileceğini anlamak için önemlidir, örneğin pil şarjı gibi uygulamalar için.

Az sayıda hareketli yük taşıyıcısı için, teorik modeller ve ölçümler bu dinamikleri uzun zamandır tahmin ediyor ve bu çift katmandaki iyonların hareketini iyi bir şekilde tanımlayabiliyor. Ancak, biyolojik sistemlerde olduğu gibi ve piller için gerekli olduğu gibi, yük taşıyıcılarının sayısı artırılırsa, bu modellerin varsayımları çöker. Bu nedenle, elektriksel çift katmanların tam olarak nasıl oluştuğu bir gizem olarak kalmıştır.

MPI Polimer Araştırmaları Direktörü Mischa Bonn, “Şimdiye kadar çift katmanın oluşumunda yer alan kesin süreçleri incelemek mümkün olmadı,” diyor . “Elektronik devrelerle iyonların hareketi kadar hızlı gerçekleşen süreçleri incelemek mümkün değil, çünkü devrelerin kendileri yalnızca sınırlı bir zamansal çözünürlük sağlayabilir. Bu sınırlamayı aşmak için ultra hızlı optikler kullanıyoruz.”

Bu nedenle, Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü ve Viyana Üniversitesi'ndeki ekip, çift tabakanın oluşumunu incelemek için optik bir ölçüm yöntemi kullandı. Bu amaçla, suya pozitif iyonların (H₃O⁺ ) oluşmasına neden olan asit eklediler. Bu iyonlar, tercihen elektriksel bir çift tabaka oluşturdukları su yüzeyinde düzenlenirler. Kızılötesi aralıktaki güçlü bir lazer darbesi, yüzeyi ısıtmak, yüzeyden H3O+'yı uzaklaştırmak ve böylece çift tabakayı bozmak için kullanıldı. Bir zaman gecikmesinden sonra yüzeyi daha fazla lazer darbesiyle inceleyerek ve yansıyan ışığı tespit ederek, iyonların yeni bir dengeye ulaşmak için yüzeyden nasıl uzaklaştığını nicelleştirebildiler. 

Deneysel sonuçlarını bilgisayar simülasyonlarıyla birleştirdiler. Bu, çift tabakanın oluşumunun, yüksek konsantrasyonlarda bile, öncelikle elektrik alanlarından kaynaklandığını kanıtlamalarını sağladı.

Şimdi Science dergisinde yayımladıkları yeni metodoloji, çok çeşitli kimyasal ve biyolojik sistemlerdeki arayüzlerdeki bu tür süreçleri incelemek için yeni yollar açıyor. Ayrıca ekip, karmaşık arayüzlerin bile nispeten basit fiziksel modeller kullanılarak tanımlanabileceğini buldu. Mevcut teorik çerçevelerin çift katman oluşumunu dikkate değer bir doğrulukla tanımladığını doğruluyorlar.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1186135/observing-the-ultrafast-electrical-charging-of-liquids.html