تُعد الواجهة الصلبة-السائلة المشحونة المكان الأساسي الذي تحدث فيه عمليات تحويل الطاقة والمادة. في المنطقة النانوية التي يتلامس فيها القطب مع الإلكتروليت، تشكل شحنة سطح القطب والأيونات وجزيئات الماء معًا "الطبقة المزدوجة الكهربائية". ورغم أن سمك هذه المنطقة الواجهية لا يتجاوز بضعة نانومترات، إلا أنها تحتوي على مجال كهربائي محلي قوي للغاية يؤثر مباشرة على عمليات امتصاص الجزيئات ونقل الأيونات. لطالما اعتبرت النظرية الكلاسيكية للطبقة المزدوجة الكهربائية هذه الطبقة بنية ثابتة غير قابلة للانضغاط، مما جعل من الصعب تفسير عملية إعادة الهيكلة الاستجابية اللحظية للأيونات وجزيئات الماء والمجال الكهربائي المحلي داخل الطبقة المزدوجة في ظل ظروف التحفيز الكهربائي الفعلية البعيدة عن التوازن.

أسس فريق البحث إطارًا بحثيًا نظريًا-تجريبيًا يدمج مطيافية الامتصاص بالأشعة تحت الحمراء المعززة بالسطح ذات الدقة الزمنية مع المحاكاة الديناميكية الجزيئية بتعلم الآلة، وقام بتحليل البنية الجزيئية الواجهية والتطور الديناميكي للطبقة المزدوجة الكهربائية عند الابتعاد عن حالة التوازن في ظل ظروف تفاعل تطور الهيدروجين (HER)، كما طوّر نموذجًا للطبقة المزدوجة الكهربائية القابلة للانضغاط قادرًا على وصف الواجهة التفاعلية الحقيقية.

كشفت الدراسة أنه مع زيادة الاستقطاب، تشهد الطبقة الداخلية للطبقة المزدوجة الكهربائية على القطب المعدني إعادة هيكلة واضحة على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يحدث تغير في اتجاه جزيئات الماء الواجهية؛ ومع زيادة الاستقطاب بشكل أكبر، تدخل المرحلة الثانية، حيث تتراكم الكاتيونات عند الواجهة وتفقد جزءًا من ماء الإماهة، ويتم طرد جزء من جزيئات الماء الواجهية، مما يؤدي إلى انهيار البنية الداخلية للطبقة المزدوجة الكهربائية. وتوفر هذه النتيجة دليلًا طيفيًا مباشرًا على فرضية قابلية انضغاط الطبقة الداخلية للطبقة المزدوجة الكهربائية.

والأهم من ذلك، أنه عند حدوث قفزة عكسية في الجهد الكهربائي، لا يتمدد توسع الطبقة المزدوجة الكهربائية ببساطة عبر المسار الأصلي، بل يصاحبه مغادرة سريعة للكاتيونات عالية التركيز لواجهة القطب، مما يشكل بنية انتقالية عابرة تحتوي على نسبة أعلى من الماء الحر. وفي الوقت نفسه، لا تقتصر إعادة الهيكلة الديناميكية للطبقة المزدوجة الكهربائية على التغيرات البنيوية فحسب، بل تعمل أيضًا على تغيير المجال الكهربائي المحلي في موقع التفاعل مباشرة. ومع فقدان الكاتيونات لجزء من ماء الإماهة واقترابها أكثر من القطب، يرتفع تركيز الأيونات داخل الطبقة المزدوجة بسرعة، ويقل سمك الطبقة الداخلية، ويشتد المجال الكهربائي المحلي الواجهي بشكل ملحوظ. ويشير ذلك إلى أن العلاقة بين الجهد الكهربائي الخارجي المطبق والمجال الكهربائي المحلي الذي تستشعره المواد المتفاعلة فعليًا ليست علاقة خطية بسيطة، بل تخضع لتنظيم ديناميكي من البنية المجهرية للطبقة المزدوجة الكهربائية.

تكشف هذه الدراسة الطبيعة الديناميكية لـ"الاستجابة غير المتزامنة بين الأيونات والماء" في الطبقة المزدوجة الكهربائية البعيدة عن حالة التوازن، مما يوسع فهم المجتمع العلمي للواجهات الكهروكيميائية من البنية الثابتة التقليدية إلى التطور الديناميكي في عمليات التفاعل الحقيقية.