Ученые из Университета штата Вашингтон и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли обнаружили способ заставить ионы двигаться более чем в десять раз быстрее в смешанных органических ионно-электронных проводниках. Эти проводники сочетают преимущества ионной сигнализации, используемой многими биологическими системами, включая человеческий организм, с электронной сигнализацией, используемой компьютерами.

Новая разработка, подробно описанная в журнале Современные материалы, ускоряет движение ионов в этих проводниках за счет использования молекул, которые притягивают и концентрируют ионы в отдельном наноканале, создавая своего рода крошечную "ионную супермагистраль".

"Возможность управлять этими сигналами, которые жизнь использует постоянно, способом, который нам никогда не был доступен, - это очень важно", - сказал Брайан Коллинз, физик WSU и старший автор исследования. "Это ускорение также может принести пользу для накопления энергии, что может оказать большое влияние".

Эти типы проводников обладают большим потенциалом, поскольку они позволяют перемещать как ионы, так и электроны одновременно, что имеет решающее значение для зарядки аккумуляторов и накопления энергии. Они также используют технологии, сочетающие биологические и электрические механизмы, такие как нейроморфные вычисления, которые пытаются имитировать мыслительные процессы в человеческом мозге и нервной системе.

Однако то, как именно эти проводники координируют движение ионов и электронов, до конца не изучено. В ходе исследования Коллинз и его коллеги заметили, что ионы перемещаются внутри проводника относительно медленно. Из-за их скоординированного движения медленное движение ионов также замедляло электрический ток.

"Мы обнаружили, что ионы, которые текли по проводнику, были в порядке, но для прохождения электронов им приходилось проходить через эту матрицу, похожую на крысиное гнездо из трубопроводов. Это замедляло движение ионов", - сказал Коллинз.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи создали прямой канал нанометрового размера только для ионов. Затем им пришлось притягивать к нему ионы. Для этого они обратились к биологии. Все живые клетки, в том числе и в организме человека, используют ионные каналы для перемещения соединений внутрь клеток и из них, поэтому команда Коллинза использовала аналогичный механизм, обнаруженный в клетках: молекулы, которые любят или ненавидят воду.

Сначала команда Коллинза заполнила канал влаголюбивыми гидрофильными молекулами, которые притягивали растворенные в воде ионы, также известные как электролиты. Затем ионы очень быстро перемещались по каналу - более чем в десять раз быстрее, чем если бы они проходили только через воду. Движение ионов стало новым мировым рекордом по скорости ионов в любом материале.

И наоборот, когда исследователи заполнили канал гидрофобными и водоотталкивающими молекулами, ионы остались в стороне и были вынуждены проходить через более медленное "крысиное гнездо".

Команда Коллинза обнаружила, что химические реакции могут изменить привлекательность молекул для электролита. Это открывает и закрывает ионную магистраль, во многом так же, как биологические системы контролируют доступ через клеточные стенки.

В рамках своих исследований команда создала датчик, который мог бы быстро обнаружить химическую реакцию вблизи канала, поскольку реакция открывала или закрывала ионную супермагистраль, создавая электрический импульс, который компьютер мог считывать.

По словам Коллинза, эта способность обнаружения на наноуровне может помочь в обнаружении загрязнения окружающей среды или активации нейронов в теле и мозге, что является одним из многих потенциальных применений этой разработки.

"Следующим шагом будет изучение всех фундаментальных механизмов управления движением ионов и внедрение этого нового явления в технологии различными способами", - сказал он.

Это исследование было проведено при поддержке Национального научного фонда. Помимо Коллинза, в этом исследовании принимали участие первый автор Таманна Хан, соавторы Томас Феррон и Аввад Алотайби из WSU, а также Терри Макафи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.