رکورد سرعت ۱۰ برابری در «بزرگراه یونی» آمریکا برای باتری‌ها و سنسورهای زیستی
پژوهشگران دانشگاه ایالتی واشنگتن و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی به یک پیشرفت بزرگ دست یافته‌اند.
آن‌ها جزئیات ایجاد ساختار نانومقیاسی را شرح داده‌اند که امکان حرکت یون‌ها با سرعت ۱۰ برابر سریع‌تر از آنچه قبلاً در هادی‌های یون-الکترون مختلط مشاهده شده بود، فراهم می‌کند.
این می‌تواند به دستاوردهای بزرگی در چندین حوزه، از فناوری باتری گرفته تا رابط‌های مغز-کامپیوتر منجر شود.
پژوهشگران در یک بیانیه مطبوعاتی گفتند: «رکورد سرعت با استفاده از نانوعلم شکسته شده است که می‌تواند منجر به مجموعه‌ای از پیشرفت‌های جدید، از جمله بهبود شارژ باتری، سیستم‌های بیوسنجی، رباتیک نرم و محاسبات نورومورفیک شود.»
تمرکز بر هادی‌های یونی-الکترونیکی مختلط
این تحقیق بر روی هادی‌های یونی-الکترونیکی مختلط متمرکز است، یعنی دسته‌ای از مواد که ویژگی‌های منحصربه‌فرد هم رسانایی یونی و هم الکترونیکی را ترکیب می‌کنند.
بیانیه مطبوعاتی اضافه کرد: «این نوع هادی‌ها پتانسیل زیادی دارند زیرا اجازه حرکت همزمان یون‌ها و الکترون‌ها را می‌دهند که برای شارژ باتری و ذخیره‌سازی انرژی حیاتی است.»
اما پیشرفت در این حوزه از طریق حرکت نسبتاً کند یون‌ها در این هادی‌ها محدود شده است. زیرا این یون‌ها به شکل هماهنگ حرکت می‌کنند که جریان الکتریکی را نیز کند می‌کند.
بریان کالینز، فیزیک‌دان WSU و نویسنده ارشد مطالعه توضیح داد: «ما دریافتیم که یون‌ها به خوبی در هادی جریان می‌داشته‌اند، اما باید از میان یک ماتریس مانند یک لانه موش از لوله‌ها برای جریان الکترون‌ها عبور می‌کردند. این موضوع یون‌ها را کند می‌کرد.»
الهام‌گیری از سیستم‌های زیستی
برای رفع این چالش، پژوهشگران از سیستم‌های زیستی که مکانیزم‌های یون‌نقل پربازدهی را توسعه‌داده‌اند، الهام گرفته‌اند.
با تقلید ساختار کانال‌های یونی یافت شده در غشاء سلولی، آن‌ها یک کانال نانومتری را طراحی کردند که با مولکول‌های هیدروفیلیک (جاذب آب) پوشیده شده بود.
قابل توجه است که یون‌ها به طور معمول در آب حل می‌شوند، تشکیل یک محلول الکترولیتی می‌دهند. بنابراین، پوشش هیدروفیلیک کانال می‌تواند یون‌ها را جذب کند، به شکل موثری یک «بزرگراه» اختصاصی برای حرکت آن‌ها ایجاد کند.
پژوهشگران تأکید کردند: «سپس یون‌ها با سرعت بسیار بالایی از طریق کانال حرکت کردند — با سرعتی بیش از ۱۰ برابر بیشتر از آنچه که تنها از طریق آب حرکت می‌کردند.»
«حرکت یون‌ها یک رکورد جدید جهانی برای سرعت یون در هر ماده‌ای که مستند باشد، نشان داد.»
پژوهشگران همچنین توانایی کنترل دینامیکی جریان یون‌ها در این نانوکانال‌ها را نشان دادند. با استفاده از واکنش‌های شیمیایی برای تغییر حالت کانال بین حالت‌های هیدروفیلیک و هیدروفوبیک (آب‌گریز)، آن‌ها می‌توانند به شکل موثری این «بزرگراه یونی» را باز و بسته کنند.
بیانیه مطبوعاتی اظهار کرد: «در مقابل، هنگامی که پژوهشگران کانال را با مولکول‌های هیدروفوبیک، آب‌گریز پوشش دادند، یون‌ها دوری کرده و مجبور شدند از طریق لانه موش کندتر حرکت کنند.»
پیامدهای این کشف قابل توجه است
انتقال سریع‌تر یون‌ها ممکن است به بهبودهای بزرگی در فناوری باتری منجر شود، که زمان‌های شارژ سریع‌تر و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی افزایش یافته را ممکن می‌کند.
این امر برای توسعه باتری‌های نسل بعدی برای خودروهای الکتریکی و الکترونیک‌های قابل حمل حیاتی است.
کالینز نتیجه‌گیری کرد: «گام بعدی واقعاً یادگیری همه مکانیزم‌های بنیادی برای کنترل این حرکت یون و آوردن این پدیده جدید به فناوری به انواع مختلفی است.»
با یکپارچه‌سازی این «بزرگراه‌های یونی» در سنسورها، ممکن است بتوان تغییرات جزئی در محیط، مانند آلودگی‌ها یا مولکول‌های زیستی را شناسایی کرد.
این فناوری ممکن است همچنین برای توسعه رابط‌های مغز-کامپیوتر پیچیده‌تر مورد استفاده قرار گیرد، که به ارتقاء ارتباطات بین مغز و دستگاه‌های الکترونیکی منجر شود.
