Nieuw ionensnelheidsrecord biedt potentieel voor sneller opladen van batterijen en biodetectie

Er is een snelheidsrecord verbroken met behulp van nanowetenschap, wat zou kunnen leiden tot een groot aantal nieuwe ontwikkelingen, waaronder verbeterd opladen van batterijen, biosensoren, zachte robotica en neuromorfisch computergebruik.

Wetenschappers van de Washington State University en het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben een manier ontdekt om ionen meer dan tien keer sneller te laten bewegen in gemengde organische ionen-elektronische geleiders. Deze geleiders combineren de voordelen van de ionensignalering die door veel biologische systemen, waaronder het menselijk lichaam, wordt gebruikt, met de elektronensignalering die door computers wordt gebruikt.

De nieuwe ontwikkeling, gedetailleerd in het tijdschrift Geavanceerde materialenversnelt de ionenbeweging in deze geleiders door moleculen te gebruiken die ionen aantrekken en concentreren in een afzonderlijk nanokanaal, waardoor een soort kleine ‘ionensupersnelweg’ ontstaat.

“Het is behoorlijk krachtig om deze signalen die het leven voortdurend gebruikt te kunnen beheersen op een manier die we nog nooit hebben kunnen doen”, zegt Brian Collins, natuurkundige van de WSU en senior auteur van het onderzoek. “Deze versnelling zou ook voordelen kunnen hebben voor de energieopslag, wat een grote impact zou kunnen hebben.”

Dit soort geleiders heeft veel potentieel omdat ze beweging van zowel ionen als elektronen tegelijk mogelijk maken, wat van cruciaal belang is voor het opladen van batterijen en energieopslag. Ze drijven ook technologieën aan die biologische en elektrische mechanismen combineren, zoals neuromorphic computing, dat probeert denkpatronen in het menselijk brein en het zenuwstelsel na te bootsen.

Hoe deze geleiders precies de beweging van zowel ionen als elektronen coördineren, is echter nog niet goed begrepen. Als onderdeel van het onderzoek voor dit onderzoek merkten Collins en zijn collega’s op dat ionen relatief langzaam in de geleider bewogen. Vanwege hun gecoördineerde beweging vertraagde de langzame ionenbeweging ook de elektrische stroom.

“We ontdekten dat de ionen die goed door de geleider stroomden, maar ze moesten door deze matrix gaan, als een rattennest van pijpleidingen om elektronen te laten stromen. Dat vertraagde de ionen”, zei Collins.

Om dit probleem te omzeilen, creëerden de onderzoekers speciaal voor de ionen een recht kanaal van nanometerformaat. Vervolgens moesten ze de ionen ernaartoe lokken. Daarvoor wendden ze zich tot de biologie. Alle levende cellen, inclusief die in het menselijk lichaam, gebruiken ionkanalen om verbindingen in en uit cellen te verplaatsen, dus het team van Collins gebruikte een soortgelijk mechanisme dat in cellen wordt aangetroffen: moleculen die water liefhebben of haten.

Ten eerste bekleedde het team van Collins het kanaal met waterminnende hydrofiele moleculen die de in water opgeloste ionen aantrokken, ook wel elektrolyten genoemd. De ionen bewogen zich vervolgens heel snel door het kanaal – met snelheden die meer dan tien keer sneller waren dan wanneer ze alleen door water zouden gaan. De beweging van ionen vertegenwoordigde een nieuw wereldrecord voor ionensnelheid in welk materiaal dan ook.

Omgekeerd, toen de onderzoekers het kanaal bekleedden met hydrofobe waterafstotende moleculen, bleven de ionen weg en werden ze gedwongen om in plaats daarvan door het langzamere “rattennest” te reizen.

Het team van Collins ontdekte dat chemische reacties de aantrekkelijkheid van de moleculen voor de elektrolyt kunnen veranderen. Dit zou de ionensnelweg openen en sluiten, ongeveer op dezelfde manier waarop biologische systemen de toegang via celwanden controleren.

Als onderdeel van hun onderzoek creëerde het team een ​​sensor die snel een chemische reactie in de buurt van het kanaal kon detecteren, omdat de reactie de ionensnelweg zou openen of sluiten, waardoor een elektrische puls zou ontstaan ​​die een computer zou kunnen lezen.

Dit detectievermogen op nanoschaal zou kunnen helpen bij het waarnemen van vervuiling in de omgeving, of neuronen die in het lichaam en de hersenen vuren, wat een van de vele mogelijke toepassingen van de ontwikkeling is, zei Collins.

“De volgende stap is eigenlijk het leren van alle fundamentele mechanismen voor het controleren van deze ionenbeweging en het op verschillende manieren naar de technologie brengen van dit nieuwe fenomeen”, zei hij.