科学家用纳米科学打破离子速度纪录

参考消息网11月24日报道 据美国《科学日报》网站11月19日报道，科学家利用纳米科学打破了一项速度纪录，这可能带来一系列新进展，包括改进电池充电、生物传感、软机器人和神经形态计算。

华盛顿州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们发现了一种方法，可以使离子在有机混合离子-电子导体中的移动速度提高至原来的十倍以上。这些导体结合了包括人体在内的许多生物系统使用的离子信号与计算机使用的电子信号的优点。

这项在《先进材料》杂志上详细介绍的新研究进展使用分子将离子吸引并集中到一个独立的纳米通道中，创建一条微小的“离子高速公路”，以此加速这些导体中的离子运动。

华盛顿州立大学物理学家、研究论文资深作者布赖恩·柯林斯说：“生命一直在使用这些信号。能够以一种我们从未能做到的方式控制它们是非常强大的能力。这种加速对能量储存也有好处，可能会产生很大影响。”

这类导体具有很大的潜力，因为它们允许离子和电子同时运动，这对电池充电和能量储存至关重要。它们还能为神经形态计算这类结合生物和电气机制的技术提供动力。神经形态计算试图模仿人脑和神经系统的思维模式。

然而，人们对这类导体如何协调离子和电子的运动还不甚了解。柯林斯及其同事在研究中观察到，离子在这种导体中的运动速度相对较慢。由于它们是协调运动，缓慢的离子运动也减缓了电流。

柯林斯说：“我们发现，离子在这种导体中的流动是正常的，但它们必须穿过这个矩阵，穿过像老鼠窝一样的管道，才能让电子流动。这减慢了离子的速度。”

为了解决这个问题，研究人员专门为离子创建了一条纳米级的直线通道。然后，他们必须把离子吸引到这条通道中。他们为此求助于生物学。包括人体细胞在内的所有活细胞都使用离子通道将化合物移入和移出细胞，因此柯林斯的团队使用了细胞中的类似机制：喜欢水或厌恶水的分子。

首先，柯林斯团队在通道内布置一层喜欢水的亲水性分子，吸引溶解在水中的离子（又称电解质）。然后，离子在通道中快速移动——速度是单独通过水时的十倍以上。离子的这一移动速度创造了离子在任何材料中移动速度的新世界纪录。

相反，当研究人员在通道内布置一层排斥水的疏水性分子时，离子就会远离通道，被迫通过速度较慢的“老鼠窝”。

柯林斯团队发现，化学反应可以改变分子对电解质的吸引力。这将打开或关闭离子高速公路，就像生物系统控制穿过细胞的通道一样。

研究小组创建了一种传感器，可以快速检测通道附近的化学反应，因为这种反应会打开或关闭离子高速公路，产生计算机可以读取的电脉冲。

柯林斯说，这种纳米级的检测能力有助于感知环境中的污染，或在身体和大脑中放电的神经元。

他说：“下一步实际上是学习关于如何控制这种离子运动的所有基本机制，并以各种方式将这种新现象应用到技术中。”（编译/卿松竹）