Нейропротезы восстанавливают двигательные и познавательные функции утраченной конечности. Это частный случай нейроморфного устройства — системы, имитирующей структуру и функции нервной системы. Такие устройства стали возможны с изобретением смешанных ионно-электронных полимеров.
О том, как учёные создавали электропроводящие полимеры и какие перспективы открыли — читайте в работе кандидата химических наук, нашей студентки из «Летней школы».
Синтетические пластики — материалы, которые отлично встроились в повседневную жизнь каждого человека и кардинально изменили культуру потребления благодаря простоте получения, широте возможного применения и экономической выгоде. Однако широкая популярность этих материалов подводит человечество к огромной экологической проблеме — полимерные отходы. И, казалось бы, нужно направить все ресурсы учёных на решение проблемы переработки пластиков.
Однако изучение и разработка новых типов синтетических полимеров, которые могут заменить литий-ионные батареи, а также могут быть основной для биоэлектронных устройств, продолжается. Но обо всём по порядку.
Органические синтетические полимеры — вещества, состоящие из повторяющихся структурных фрагментов, соединенных в длинные макромолекулы химическими связями. Самые распространённые синтетические полимеры — полиэтилен, полипропилен, полистирол и другие. Традиционные полимеры не проводят электрический ток благодаря своему молекулярному строению.
В 1963 году учёные Брайан Болто и Доналд Вайс впервые получили органический полимер полипиррол с электропроводящими свойствами. Электронные проводники — это материалы, которые проводят электрический ток и в которых носителем заряда служит электрон (например, медь). В 2000 году трое учёных, Алан Дж. Хигер, Алан МакДиармид и Хидеки Ширакава, получили Нобелевскую премию за открытие электрической проводимости в полиацетилене в присутствии ионов галогенов. Эти результаты привели к созданию органических светоизлучающих диодов (OLED), которые активно используются в смартфонах, планшетах, электронных книгах, цифровых фотоаппаратах, телевизорах, а также умных часах и фитнес-браслетах.
В 1975 году Питер Райт впервые подтвердил наличие ионной проводимости в полимере поли(этиленоксиде), который способен растворять в себе неорганические соли. В ионных проводниках носители заряда — это ионы, например растворы и расплавы солей или электролиты. Широкое применение полимеры с ионной проводимостью нашли в производстве конденсаторов, батарей, топливных элементов и проводящих мембран.
Оба типа проводящих полимеров очень быстро были признаны перспективными для электрохимических применений, и поэтому целенаправленная разработка смешанных полимерных материалов была лишь вопросом времени. Так, в 1987 году М.Г. Минетт и Джей Оуэн создали материал, состоящий из двух полимеров поли(этиленоксида) и полипиррола, и обладающий как ионной так и электронной проводимостью.
Изучение связи ионного и электронного транспорта внутри смешанного полимера охватывают несколько десятилетий и различные дисциплины. В общем случае она представляет собой движение ионов электролита между двумя полимерными цепочками, генерируя электронную проводимость по всему объёму. Проводимость всего материала зависит от множества факторов — от растворимости электролита в материале до скорости диффузии ионов. Плохая растворимость электролитов затрудняет диффузию ионов и уменьшает ионно-электронное взаимодействие.
В недавней статье в Nature materials учёные из Кембриджского университета создали универсальную методику исследования движения заряженных ионов в режиме реального времени. Глубокое понимание процесса зарядки смешанных ионно-электронных проводников открывает новые возможности для разработки ионно-электронных полимеров и повышение их производительности.
Изучение смешанных ионно-электронных полимеров имеет огромные перспективы применения в различных областях — от гибких аккумуляторов до разработки медицинских устройств. Например, нейроморфные устройства — системы, имитирующие структуру и функции нервной системы. Принцип действия таких систем связан с регистрацией сигналов ионной проводимости в мозге и/или теле человека и преобразованием в электронные сигналы для регистрации устройствами. Нейроморфные устройства найдут широкое применение в личном медицинском мониторинге, нейропротезировании и интерфейсах человек-машина.
Интересные материалы от Большой российской энциклопедии:
От Бауманки до списка Forbes и квантового компьютера: интервью с Алексеем Фёдоровым
Зачем магазины указывают первоначальную стоимость товара на ценнике со скидкой?
Искусство математики: как художники использовали золотое сечение
