剑桥大学研究人员的新发现可能改变电化学设备的未来

剑桥大学的研究人员公布了一项惊人的发现，它有可能重塑电化学设备的格局。这一新发现为创造尖端材料打开了大门，并为增强能源存储、神经形态计算和生物电子学等领域的功能铺平了道路。电化学设备依靠带电粒子（离子和电子）的运动来正常工作。然而，了解这些带电粒子如何一起运动一直是一个巨大的挑战，阻碍了为这些设备创造新材料的进展。

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艺术家绘制的水中电子聚合物图--同时传导离子电荷和电子电荷。资料来源：Scott T. Keene

在快速发展的生物电子学领域，被称为共轭聚合物的软导电材料被用于开发可在传统临床环境之外使用的医疗设备。例如，这类材料可用于制造远程监测病人健康状况的可穿戴传感器，或积极治疗疾病的植入式设备。

在这类设备中使用共轭聚合物电极的最大好处是，它们能够将负责大脑和身体电信号的离子与电子（电子设备中的电信号载体）无缝耦合。这种协同作用改善了大脑与医疗设备之间的连接，有效地转换了这两种信号。

在发表于《自然-材料》（Nature Materials）上的这项有关共轭聚合物电极的最新研究中，研究人员报告了一项意想不到的发现。人们通常认为，离子的运动是充电过程中最慢的部分，因为离子比电子重。然而，这项研究发现，在共轭聚合物电极中，"空穴"（供电子移动的空隙）的移动可能是材料充电速度的限制因素。

研究人员使用专门的显微镜对充电过程进行了实时密切观察，发现当充电水平较低时，空穴的移动效率很低，导致充电过程比预期的慢得多。换句话说，与标准知识相反，在这种特殊材料中，离子的传导速度比电子快。

这一意外发现为我们深入了解影响充电速度的因素提供了宝贵的线索。令人兴奋的是，研究小组还确定，通过操纵材料的微观结构，可以调节充电过程中空穴移动的速度。这种新发现的控制和微调材料结构的能力可以让科学家们设计出性能更好的共轭聚合物，从而实现更快、更高效的充电过程。

第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室和电气工程部的斯科特-基恩（Scott Keene）说："我们的发现挑战了人们对电化学设备充电过程的传统认识。在低水平充电过程中，作为电子移动空隙的空穴的移动效率会出奇地低，从而导致意想不到的减速"。

这些发现影响深远，为未来生物电子学、能量存储和类脑计算等应用领域的电化学设备研发提供了一条大有可为的途径。

这项研究的资深作者、工程系电子工程分部菲利普亲王技术教授 George Malliaras 说："这项工作阐明了共轭聚合物电化学掺杂过程中发生的基本步骤，并强调了聚合物带状结构的作用，从而解决了有机电子学中一个长期存在的问题。"

"随着对充电过程有了更深入的了解，我们现在可以探索创造能与人体无缝结合的尖端医疗设备、提供实时健康监测的可穿戴技术以及效率更高的新型能源存储解决方案的新可能性，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的 Akshay Rao 教授总结道。

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