劍橋大學(xué)的研究人員公布了一項驚人的發(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)造尖端材料打開了大門，并為增強能源存儲、神經(jīng)形態(tài)計算和生物電子學(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）的運動來正常工作。然而，了解這些帶電粒子如何一起運動一直是一個巨大的挑戰(zhàn)，阻礙了為這些設(shè)備創(chuàng)造新材料的進(jìn)展。

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藝術(shù)家繪制的水中電子聚合物圖--同時傳導(dǎo)離子電荷和電子電荷。資料來源：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)大腦和身體電信號的離子與電子（電子設(shè)備中的電信號載體）無縫耦合。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。

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

研究人員使用專門的顯微鏡對充電過程進(jìn)行了實時密切觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)充電水平較低時，空穴的移動效率很低，導(dǎo)致充電過程比預(yù)期的慢得多。換句話說，與標(biāo)準(zhǔn)知識相反，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，通過操縱材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)充電過程中空穴移動的速度。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)家們設(shè)計出性能更好的共軛聚合物，從而實現(xiàn)更快、更高效的充電過程。

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

這些發(fā)現(xiàn)影響深遠(yuǎn)，為未來生物電子學(xué)、能量存儲和類腦計算等應(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："這項工作闡明了共軛聚合物電化學(xué)摻雜過程中發(fā)生的基本步驟，并強調(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)中一個長期存在的問題。"

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

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