劍橋大學(xué)的研究人員公布了一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)，它有可能重塑電化學(xué)設(shè)備的格局。這一新發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)造尖端材料打開(kāi)了大門(mén)，并為增強(qiáng)能源存儲(chǔ)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和生物電子學(xué)等領(lǐng)域的功能鋪平了道路。電化學(xué)設(shè)備依靠帶電粒子（離子和電子）的運(yùn)動(dòng)來(lái)正常工作。然而，了解這些帶電粒子如何一起運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，阻礙了為這些設(shè)備創(chuàng)造新材料的進(jìn)展。

(資料圖片僅供參考)

藝術(shù)家繪制的水中電子聚合物圖--同時(shí)傳導(dǎo)離子電荷和電子電荷。資料來(lái)源：Scott T. Keene

在快速發(fā)展的生物電子學(xué)領(lǐng)域，被稱為共軛聚合物的軟導(dǎo)電材料被用于開(kāi)發(fā)可在傳統(tǒng)臨床環(huán)境之外使用的醫(yī)療設(shè)備。例如，這類材料可用于制造遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病人健康狀況的可穿戴傳感器，或積極治療疾病的植入式設(shè)備。

在這類設(shè)備中使用共軛聚合物電極的最大好處是，它們能夠?qū)⒇?fù)責(zé)大腦和身體電信號(hào)的離子與電子（電子設(shè)備中的電信號(hào)載體）無(wú)縫耦合。這種協(xié)同作用改善了大腦與醫(yī)療設(shè)備之間的連接，有效地轉(zhuǎn)換了這兩種信號(hào)。

在發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials）上的這項(xiàng)有關(guān)共軛聚合物電極的最新研究中，研究人員報(bào)告了一項(xiàng)意想不到的發(fā)現(xiàn)。人們通常認(rèn)為，離子的運(yùn)動(dòng)是充電過(guò)程中最慢的部分，因?yàn)殡x子比電子重。然而，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在共軛聚合物電極中，"空穴"（供電子移動(dòng)的空隙）的移動(dòng)可能是材料充電速度的限制因素。

研究人員使用專門(mén)的顯微鏡對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)密切觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)充電水平較低時(shí)，空穴的移動(dòng)效率很低，導(dǎo)致充電過(guò)程比預(yù)期的慢得多。換句話說(shuō)，與標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)相反，在這種特殊材料中，離子的傳導(dǎo)速度比電子快。

這一意外發(fā)現(xiàn)為我們深入了解影響充電速度的因素提供了寶貴的線索。令人興奮的是，研究小組還確定，通過(guò)操縱材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)充電過(guò)程中空穴移動(dòng)的速度。這種新發(fā)現(xiàn)的控制和微調(diào)材料結(jié)構(gòu)的能力可以讓科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出性能更好的共軛聚合物，從而實(shí)現(xiàn)更快、更高效的充電過(guò)程。

第一作者、劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室和電氣工程部的斯科特-基恩（Scott Keene）說(shuō)："我們的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了人們對(duì)電化學(xué)設(shè)備充電過(guò)程的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。在低水平充電過(guò)程中，作為電子移動(dòng)空隙的空穴的移動(dòng)效率會(huì)出奇地低，從而導(dǎo)致意想不到的減速"。

這些發(fā)現(xiàn)影響深遠(yuǎn)，為未來(lái)生物電子學(xué)、能量存儲(chǔ)和類腦計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域的電化學(xué)設(shè)備研發(fā)提供了一條大有可為的途徑。

這項(xiàng)研究的資深作者、工程系電子工程分部菲利普親王技術(shù)教授 George Malliaras 說(shuō)："這項(xiàng)工作闡明了共軛聚合物電化學(xué)摻雜過(guò)程中發(fā)生的基本步驟，并強(qiáng)調(diào)了聚合物帶狀結(jié)構(gòu)的作用，從而解決了有機(jī)電子學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。"

"隨著對(duì)充電過(guò)程有了更深入的了解，我們現(xiàn)在可以探索創(chuàng)造能與人體無(wú)縫結(jié)合的尖端醫(yī)療設(shè)備、提供實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的可穿戴技術(shù)以及效率更高的新型能源存儲(chǔ)解決方案的新可能性，"共同第一作者、劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的 Akshay Rao 教授總結(jié)道。

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