Naukowcy znacznie przyspieszyli ruch jonów za pomocą nanotechnologii, potencjalnie udoskonalając technologie, od ładowania akumulatorów po bioczujniki.
Ten przełom na Uniwersytecie Stanowym w Waszyngtonie i Laboratorium Narodowym Lawrence Berkeley polega na stworzeniu nanokanału pokrytego cząsteczkami, które przyciągają jony, umożliwiając im poruszanie się ponad dziesięć razy szybciej niż wcześniej. To osiągnięcie może zrewolucjonizować magazynowanie energii i pomóc w wykrywaniu substancji zanieczyszczających środowisko lub aktywności neurologicznej.
Bicie rekordów prędkości dzięki nanonauce
Badacze pobili rekord prędkości w nanonauce, odblokowując potencjalne postępy w takich obszarach, jak szybsze ładowanie baterii, biodetekcja, miękka robotyka i obliczenia neuromorficzne.
Na Washington State University i Lawrence Berkeley National Laboratory naukowcy odkryli metodę ponad dziesięciokrotnego zwiększenia ruchu jonów w mieszanych organicznych przewodnikach jonowo-elektronicznych. Te unikalne materiały łączą sygnalizację jonową wykorzystywaną w systemach biologicznych, takich jak organizm ludzki, z sygnalizacją elektronową występującą w nowoczesnych komputerach.
Innowacyjny ruch jonowy w zaawansowanych materiałach
Opublikowano 19 listopada w Zaawansowane materiałyten przełom opiera się na cząsteczkach, które prowadzą i koncentrują jony w dedykowanych nanokanałach, skutecznie tworząc małą „autostradę jonową”, która drastycznie przyspiesza ich ruch.
„Możliwość kontrolowania sygnałów, które życie wykorzystuje przez cały czas, w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie tego zrobić, ma ogromną moc” – powiedział Brian Collins, fizyk z WSU i główny autor badania. „To przyspieszenie może mieć również korzyści w zakresie magazynowania energii, co może mieć duży wpływ”.
Wpływ na technologię i magazynowanie energii
Tego typu przewodniki mają duży potencjał, ponieważ umożliwiają jednoczesny ruch jonów i elektronów, co ma kluczowe znaczenie dla ładowania akumulatora i magazynowania energii. Wykorzystują także technologie łączące mechanizmy biologiczne i elektryczne, takie jak przetwarzanie neuromorficzne, które próbuje naśladować wzorce myślowe w ludzkim mózgu i układzie nerwowym.
„Możliwość kontrolowania sygnałów, z których życie korzysta przez cały czas, w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie tego zrobić, ma ogromną moc”.
Brian Collins, fizyk, Washington State University
Jednak dokładny sposób, w jaki te przewodniki koordynują ruch zarówno jonów, jak i elektronów, nie został dobrze poznany. W ramach badań na potrzeby tego badania Collins i jego współpracownicy zaobserwowali, że jony poruszają się w przewodniku stosunkowo wolno. Ze względu na ich skoordynowany ruch, powolny ruch jonów spowalniał również prąd elektryczny.
Strategiczny rozwój nanotechnologii
„Odkryliśmy, że jony, które prawidłowo płynęły w przewodniku, musiały jednak przejść przez tę matrycę niczym szczurze gniazdo rurociągów, aby elektrony mogły płynąć. To spowalniało jony” – powiedział Collins.
Aby obejść ten problem, naukowcy stworzyli prosty kanał o wielkości nanometra przeznaczony wyłącznie dla jonów. Następnie musieli przyciągnąć do niego jony. W tym celu zwrócili się ku biologii. Wszystkie żywe komórki, w tym te w ludzkim ciele, wykorzystują kanały jonowe do przenoszenia związków do i z komórek, dlatego zespół Collinsa zastosował podobny mechanizm występujący w komórkach: cząsteczki, które kochają wodę lub jej nienawidzą.
Pionierski szybszy transport jonów
Najpierw zespół Collinsa wyłożył kanał kochającymi wodę cząsteczkami hydrofilowymi, które przyciągały jony rozpuszczone w wodzie, zwane także elektrolitem. Jony następnie przemieszczały się bardzo szybko przez kanał – z prędkością ponad dziesięciokrotnie większą niż w samej wodzie. Ruch jonów stanowił nowy rekord świata w zakresie prędkości jonów w jakimkolwiek udokumentowanym materiale.
I odwrotnie, gdy badacze wyłożyli kanał hydrofobowymi i wodoodpornymi cząsteczkami, jony pozostawały z dala i zamiast tego musiały podróżować przez wolniejsze „szczurze gniazdo”.
Zespół Collinsa odkrył, że reakcje chemiczne mogą zmienić atrakcyjność cząsteczek w stosunku do elektrolitu. Otworzyłoby to i zamknęło autostradę jonową, podobnie jak systemy biologiczne kontrolują dostęp przez ściany komórkowe.
Przyszłe kierunki i zastosowania
W ramach badań zespół stworzył czujnik, który może szybko wykryć reakcję chemiczną w pobliżu kanału, ponieważ reakcja ta otwiera lub zamyka autostradę jonową, tworząc impuls elektryczny odczytywany przez komputer.
Ta zdolność wykrywania na nanoskala mogłoby pomóc w wykryciu zanieczyszczenia środowiska lub aktywacji neuronów w ciele i mózgu, co jest jednym z wielu potencjalnych zastosowań tego opracowania, powiedział Collins.
„Następnym krokiem jest tak naprawdę poznanie wszystkich podstawowych mechanizmów kontrolowania ruchu jonów i wprowadzenie tego nowego zjawiska do technologii na różne sposoby” – powiedział.
Odniesienie: „Local Chemical Enhancement and Gating of Organiczny skoordynowany transport jonowo-elektroniczny” autorstwa Tamanna Khan, Terry McAfee, Thomas J. Ferron, Awwad Alotaibi i Brian A. Collins, 19 listopada 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202406281
Badanie to zostało wsparte przez Narodową Fundację Nauki. Oprócz Collinsa wśród badaczy tego badania wzięli udział pierwsza autorka Tamanna Khan, współautorzy Thomas Ferron i Awwad Alotaibi z WSU, a także Terry McAfee z Lawrence Berkeley National Laboratory.
