Наноканал для ионов: решение, вдохновлённое биологией
Учёные из Университета штата Вашингтон и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли совершили прорыв в области нанотехнологий, установив новый мировой рекорд скорости ионов в смешанных органических ионно-электронных проводниках. Эта инновация может привести к значительным улучшениям в различных областях, включая зарядку аккумуляторов, биосенсорику, мягкую робототехнику и нейроморфные вычисления.
Ионно-электронные проводники сочетают преимущества ионной сигнализации, используемой биологическими системами, и электронной сигнализации, применяемой в компьютерах. Однако до сих пор координация движения ионов и электронов в этих проводниках была недостаточно изучена. В ходе исследования команда учёных под руководством физика Брайана Коллинза обнаружила, что ионы двигались относительно медленно внутри проводника, что замедляло электрический ток.
«Мы обнаружили, что ионам, которые нормально двигались по проводнику, приходилось проходить через матрицу, похожую на лабиринт, чтобы электроны могли течь. Это замедляло ионы», — пояснил Коллинз.
Для решения этой проблемы исследователи создали канал размером в несколько нанометров, предназначенный исключительно для ионов. Чтобы привлечь ионы в канал, они использовали механизм, аналогичный тому, который применяется в живых клетках: молекулы, которые любят или избегают воду. Команда Коллинза выстилала канал гидрофильными молекулами, любящими воду, которые притягивали ионы, растворённые в воде, также известные как электролиты.
В результате ионы двигались по каналу со скоростью, более чем в 10 раз превышающей скорость движения ионов в чистой воде, что стало новым мировым рекордом скорости ионов в любом материале. «Возможность контролировать эти сигналы способом, который мы прежде не могли реализовать, является довольно мощной. Это ускорение может иметь преимущества для хранения энергии», — отметил Коллинз.
Разработка, подробно описанная в журнале Evolved Materials, может значительно улучшить технологии, которые объединяют биологические и электрические механизмы, такие как нейроморфные вычисления, а также повысить эффективность зарядки аккумуляторов и хранения энергии.
