(Результаты: вещество. «ХиЖ» 2025 №3)
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).
И. Иванов
Остальные статьи из этой рубрики вы можете найти в подборке «Результаты: вещество»
Канал автора: https://t.me/medneus
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»