Очень быстрые ионы
В органических ионно-электронных проводниках ток проводят оба типа его носителей. Эти проводники представляют собой смесь двух фаз и сочетают преимущества ионной сигнализации биологических систем и привычной нам электроники. Благодаря смешанной проводимости они интересны разработчикам мягкой робототехники, биосенсоров для умной медицины, устройств нейроморфных вычислений. Сегодня применение таких проводников ограничивает малая подвижность и медленный перенос их ионов. Дело в том, что ученые пока не понимают, как именно физические процессы в проводнике координируют движение разных носителей заряда.
Группа исследователей во главе с Брайаном Коллинзом (Brian A. Collins) из Университета штата Вашингтон нашла способ, как более чем на порядок ускорить движение ионов в смешанных проводниках. Объектом изучения стал модельный электролит, представляющий собой богатые полиэтилендиокситиофеном гелевые наночастицы в матрице полистиролсульфоната. В начале экспериментов Коллинз и его коллеги заметили, что медленное перемещение ионов в этом смешанном проводнике на кремниевой подложке связано с тем, что им приходится проходить через запутанную матрицу путей движения электронов. Поэтому ученые решили создать в проводнике прямой канал нанометрового размера, предназначенный только для движения ионов.
Привлечь их в канал физикам помогла биология. Дело в том, что все живые клетки используют ионные каналы, которые за счет изменения своей гидрофильности перемещают разные соединения внутрь и наружу. Исследователи покрыли слой смешанного проводника верхним нанослоем чистого полистиролсульфоната. В результате его гидрофильные молекулы притянули ионы из водного электролита и сконцентрировали их в отдельную проводящую магистраль вдоль границы с нанослоем. После этого они начали перемещаться по сплошной межфазной границе со скоростью, которая резко превысила таковую в воде. Если экспериментаторы выстилали границу гидрофобными молекулами, то ионы замедляли свое движение в ней.
Таким образом, ученые могли открывать и закрывать ионную магистраль с помощью механизма, похожего на работу клеточной мембраны. На этой основе исследователи создали датчик, который мог быстро обнаруживать химическую реакцию. Она открывала или закрывала ионную магистраль и тем самым изменяла электрическое сопротивление датчика. Такой датчик пригодится, к примеру, для детектирования загрязнений окружающей среды или отслеживания активности нейронов мозга.
Новые проводники также понадобятся для технологий, объединяющих биологические и электрические механизмы. К ним относят вычисления в системах искусственного интеллекта. Также одновременное перемещение ионов и электронов важно для систем хранения энергии и зарядки аккумуляторов. Брайан Коллинз надеется найти возможность управлять электрическими сигналами, которые используют живые существа. Поэтому сейчас его группа изучает фундаментальные механизмы обнаруженного явления (Advanced Materials).