Nowe badanie burzy konwencjonalną wiedzę i otwiera przyszłość urządzeń elektrochemicznych

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z University of Cambridge ujawnia zaskakujące odkrycie, które może zmienić przyszłość urządzeń elektrochemicznych. Odkrycia stwarzają nowe możliwości opracowywania zaawansowanych materiałów i poprawy wydajności w obszarach takich jak magazynowanie energii, przetwarzanie podobne do mózgu i bioelektronika.

Prawidłowe działanie urządzeń elektrochemicznych zależy od ruchu naładowanych cząstek, jonów i elektronów. Jednak zrozumienie, w jaki sposób te naładowane cząstki poruszają się razem, było dużym wyzwaniem, co utrudniało postęp w tworzeniu nowych materiałów do tych urządzeń.

W szybko rozwijającej się dziedzinie bioelektroniki miękkie materiały przewodzące, znane jako sprzężone polimery, są wykorzystywane do opracowywania urządzeń medycznych, które można stosować poza tradycyjnymi warunkami klinicznymi. Na przykład tego typu materiał mógłby zostać wykorzystany do produkcji czujników do noszenia, które zdalnie monitorują stan zdrowia pacjentów, lub wszczepialnych urządzeń, które skutecznie leczą choroby.

Największą zaletą stosowania sprzężonych elektrod polimerowych w tego typu urządzeniach jest ich zdolność do bezproblemowego łączenia jonów, które odpowiadają za sygnały elektryczne w mózgu i ciele, z elektronami, nośnikami sygnałów elektrycznych w urządzeniach elektronicznych. Ta synergia poprawia komunikację między mózgiem a urządzeniami medycznymi, co skutkuje wydajną translacją między tymi dwoma rodzajami sygnałów.

W najnowszym badaniu polimerowych elektrod sprzężonych, opublikowanym w Nature Materials, naukowcy donoszą o nieoczekiwanym odkryciu. Tradycyjnie uważa się, że ruch jonów jest najwolniejszą częścią procesu ładowania, ponieważ są one cięższe od elektronów. Jednak badanie ujawniło, że w sprzężonych elektrodach polimerowych ruch „dziur” – pustych przestrzeni, przez które mogą przemieszczać się elektrony – może być czynnikiem ograniczającym szybkość ładowania materiałów.

Za pomocą specjalistycznego mikroskopu naukowcy uważnie obserwowali proces ładowania w czasie rzeczywistym i odkryli, że gdy poziom naładowania jest niski, ruch otworów jest nieefektywny, co powoduje spowolnienie procesu ładowania znacznie bardziej niż oczekiwano. Innymi słowy, wbrew powszechnej wiedzy, w tej konkretnej substancji jony poruszają się szybciej niż elektrony.

To nieoczekiwane odkrycie zapewnia wgląd w czynniki wpływające na szybkość ładowania. Co ciekawe, zespół badawczy ustalił również, że manipulując mikrostrukturą materiału, można regulować szybkość poruszania się otworów podczas ładowania. Ta nowa kontrola i możliwość dostrajania struktury materiału może pozwolić naukowcom na opracowywanie sprzężonych polimerów o lepszej wydajności, umożliwiając szybsze i bardziej wydajne procesy ładowania.

„Nasze odkrycia podważają tradycyjne rozumienie procesu ładowania w urządzeniach elektrochemicznych” – powiedział pierwszy autor Scott Kane z Cavendish Laboratory i Department of Electrical Engineering, Cambridge. „Ruch dziur, które działają jak puste przestrzenie dla elektronów, może być zaskakująco nieefektywny przy niskich poziomach ładunku, powodując nieoczekiwane spowolnienia”.

Konsekwencje tych odkryć są dalekosiężne i oferują obiecującą drogę do przyszłych badań i rozwoju urządzeń elektrochemicznych do zastosowań takich jak bioelektronika, magazynowanie energii i przetwarzanie przypominające mózg.

powiedział George Maliaras, starszy autor badania i Prince Philip Professor of Technology na Wydziale Inżynierii Elektrycznej Wydziału Inżynierii.

„Dzięki głębszemu zrozumieniu procesu ładowania możemy teraz odkrywać nowe możliwości w tworzeniu zaawansowanych urządzeń medycznych, które mogą bezproblemowo integrować się z ludzkim ciałem, technologii noszenia, które zapewniają monitorowanie stanu zdrowia w czasie rzeczywistym, oraz nowych rozwiązań w zakresie magazynowania energii o zwiększonej wydajności”. podsumował profesor Akshay Rao, współautor, również z Cavendish Laboratory, Cambridge.

Badania były częściowo wspierane przez Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), część brytyjskich badań i innowacji (UKRI), unijny program badań i innowacji Horyzont 2020, program NVIDIA Academic Hardware Grant, Clare College i Royal Commission na Expo 1851. Scott Kane jest stypendystą programu Marie Skłodowska-Curie w Cavendish Laboratory i Department of Electrical Engineering na Wydziale Inżynierii.