Ученые из Университета штата Вашингтон и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обнаружили способ заставить ионы двигаться более чем в 10 раз быстрее в смешанных органических ионно-электронных проводниках. Они сочетают в себе преимущества ионной сигнализации, используемой во многих биологических системах, включая человеческое тело, и электронной сигнализации, используемой в компьютерах.
Новая разработка, подробно описанная в журнале Advanced Materials, ускоряет движение ионов в проводниках за счет использования молекул, которые притягивают и концентрируют ионы в отдельный наноканал, создавая тип крошечной «ионной супермагистрали». «Возможность управлять этими сигналами, которые постоянно использует жизнь, так, как мы никогда не умели, очень велика», – говорит Брайан Коллинз, старший автор исследования. «Это ускорение также может иметь преимущества для хранения энергии».
Такие проводники обладают большим потенциалом, поскольку позволяют перемещать ионы и электроны одновременно, что очень важно для зарядки аккумуляторов и хранения энергии. Они также используются в технологиях, объединяющих биологические и электрические механизмы, таких как нейроморфные вычисления, которые пытаются имитировать мыслительные процессы в человеческом мозге и нервной системе.
Однако как именно эти проводники координируют движение ионов и электронов, было не очень понятно. В ходе работы над исследованием Коллинз и его коллеги заметили, что ионы перемещаются внутри проводника относительно медленно, что также замедляет электрический ток. «Мы обнаружили, что ионам в проводнике приходится проходить через матрицу, похожую на крысиное гнездо трубопроводов, по которым движутся электроны. Это замедляло движение ионов», – говорит Коллинз.
Чтобы решить эту проблему, исследователи создали прямой канал нанометрового размера только для ионов, затем необходимо было привлечь ионы к нему. Для этого ученые обратились к биологии. Все живые клетки используют ионные каналы для перемещения соединений в клетки и из клеток, поэтому команда Коллинза использовала аналогичный механизм: молекулы, которые любят или ненавидят воду.
Сначала исследователи покрыли канал водолюбивыми гидрофильными молекулами, которые притягивали ионы, растворенные в воде, также известные как электролиты. Затем ионы стали очень быстро перемещаться по каналу – со скоростью, более чем в 10 раз превышающей ту, с которой они двигались бы только по воде. Их перемещение стало новым мировым рекордом по скорости движения ионов в любом материале.
И наоборот, когда исследователи выстилали канал гидрофобными, отталкивающими воду молекулами, ионы оставались в стороне и вынуждены были двигаться через более медленное «крысиное гнездо». Команда обнаружила, что химические реакции могут изменять привлекательность молекул для электролита. Это открывает и закрывает ионную супермагистраль, подобно тому, как биологические системы контролируют доступ через клеточные стенки.
Ученые создали датчик, который мог быстро обнаружить химическую реакцию вблизи канала, поскольку она открывала или закрывала ионную магистраль, создавая электрический импульс, который мог считывать компьютер. По словам Коллинза, эта способность может помочь в обнаружении загрязнений окружающей среды или нейронов в теле и мозге, что является одним из многих потенциальных применений данной разработки.
Следующим шагом будет изучение всех фундаментальных механизмов управления движением ионов и внедрение этого явления в технологии.
[Фото: Second Bay Studios / Brian Collins]