Достигнута рекордная скорость ионов: путь к быстрой зарядке аккумуляторов и точным биосенсорам
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
Если автор пообещал вам публикацию на iXBT.com (а не в блогах iXBT.com), то сообщите об этом, пожалуйста, на почту abuse@corp.ixbt.com
Мир электроники стремительно развивается, и на смену традиционным кремниевым чипам приходят новые материалы, обладающие уникальными свойствами. Среди них особое место занимают органические смешанные ионно-электронные проводники (ОСИЭП), которые могут найти применение в биосенсорах, мягкой робототехнике, нейроморфных вычислениях и умной медицине. Однако медленный транспорт ионов в этих материалах ограничивает их потенциал. Новое исследование ученых из Вашингтонского государственного университета открывает захватывающие перспективы в этой области.
Представьте себе материал, где ионы, подобно автомобилям на многополосной скоростной трассе, могут перемещаться с небывалой скоростью. Именно такую «ионную магистраль» удалось создать ученым, используя полиэлектролит PEDOT:PSS. Этот материал представляет собой смесь гидрофобных, проводящих дырки олигомеров PEDOT и гидрофильных, изолирующих цепей PSS. В результате самоорганизации этих компонентов формируется уникальная наноструктура с богатой внутренней архитектурой.
Ключевым открытием стало то, что на границе раздела PEDOT:PSS образуется нанослой из PSS, который способен значительно ускорять транспорт ионов. Более того, доступ ионов к этой «магистрали» можно контролировать, регулируя поверхностную энергию материала. Добавление гидрофильного покрытия, например, из поливинилового спирта (ПВС), притягивает ионы в канал PSS, увеличивая их подвижность на порядок по сравнению с электрофоретическим транспортом в воде. Это рекордный показатель для любого материала! С другой стороны, гидрофобное покрытие выталкивает ионы из канала, эффективно «закрывая» магистраль.
Создание ионной супермагистрали (A) Химическая структура PEDOT:PSS. B) Двухпараметрический VASE-анализ тонкой пленки PEDOT:PSS для определения характеристик бислоя. На вставке показаны измеренные толщины. (C) Схема экспериментальной установки ECMF. Вид камеры показывает изображение частично дедопированного устройства. (D) Сглаженные профили интенсивности красного канала ПЗС (сплошные линии) и соответствующие производные (пунктирные линии), полученные из видеокадров, определяют местоположение фронта допирования 𝑙𝑙. (E) Переходные процессы дедопирования для нескольких опытов на одном устройстве смешанной проводимости при нескольких напряжениях питания. Сплошные и прерывистые линии представляют данные и линейную подгонку, соответственно (подробности в разделе S4). (F) Статистика ионной подвижности в различных устройствах, испытаниях и напряжениях питания с инкапсулированным слоем поливинилацетата. (n=49) (G) Ток против 1/√t и линейная подгонка для устройства со смешанной проводимостью с ПВА (подробности анализа в разделе S5). (H) Плотность ионов, 𝑝𝑝, и (I) ионная проводимость, ion, статистика из граничных сценариев распределения ионов в гидратированном канале. Эксплицитные значения из среднего для каждого сценария (n=31). Цитирование: Tamanna Khan, Terry McAfee, Thomas Ferron et al. Local Chemical Enhancement and Gating of Organic Coordinated Ionic-Electronic Transport, 24 October 2022, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2188172/v1]
Этот эффект напоминает работу ионных каналов в клеточных мембранах, где гидрофильные молекулы регулируют поток ионов через гидрофобный барьер. Такой биомиметический подход открывает новые возможности для создания устройств, имитирующих природные процессы.
Но ученые пошли дальше. Они продемонстрировали, как можно использовать этот эффект для создания сенсора, способного детектировать и анализировать локальные химические реакции. Для этого в качестве «ворот» для ионной магистрали использовался гидрофобный слой полиметилметакрилата (ПММА). Под воздействием УФ-излучения ПММА становится гидрофильным, открывая доступ ионов в канал PSS. Измеряя изменение ионного тока, можно отслеживать динамику химической реакции в режиме реального времени.
Чувство локального химического изменения (A) Верхняя поверхность WCA и толщина (VASE) инкапсуляционного слоя ПММА с накопленным временем УФ-облучения озоном. (B) Подвижность ионов в зависимости от времени накопления в устройстве с покрытием из ПММА, подвергшемся УФ-облучению (красный) и не подвергшемся (синий). На рис. S11 показан эксперимент, воспроизведенный еще дважды. Схема устройств (C) до и (D) после воздействия УФ-озона. Ультрафиолетовый озон реагирует с инкапсуляционным слоем ПММА, превращая группу -OCH3 ПММА в -OH. (E) Электрическое обнаружение химического изменения. Постоянное напряжение втягивает ионы в канал. Затем переменное напряжение колеблет ионы на месте (100 Гц), при этом переменный ток регистрирует подвижность ионов. (F) Схема настройки устройства во время электронного обнаружения переменного тока (G) Переходные процессы переменного тока для трех последовательных испытаний на одном устройстве. Пик тока (стрелка) представляет собой максимальную подвижность ионов, когда химическая реакция достигает канала захоронения. (H) Схема химической реакции в одно и то же время 𝑡𝑡′ для различных толщин ПММА. (I) Транзиенты переменного тока во время начального УФ-облучения для устройств с различной толщиной слоя ПММА. УФ-облучение начато в нулевое время. (J) Время химической реакции как функция толщины ПММА (линейная подгонка) при УФ-облучении. Цитирование: Tamanna Khan, Terry McAfee, Thomas Ferron et al. Local Chemical Enhancement and Gating of Organic Coordinated Ionic-Electronic Transport, 24 October 2022, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2188172/v1]
Это исследование не только демонстрирует новый способ управления транспортом ионов в органических материалах, но и открывает путь к созданию новых сенсоров, актуаторов и других устройств с уникальными функциональными возможностями. Возможно, именно ОСИЭП станут основой для следующего поколения электроники.