新研究挑战了电化学设备充电过程的传统理解
剑桥大学研究人员的一项新研究揭示了一个令人惊讶的发现，它可能会改变电化学设备的未来。这些发现为先进材料的开发和能源存储、类脑计算和生物电子学等领域性能的提高提供了新的机遇。
电化学装置依靠带电粒子(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移动提出了重大挑战，阻碍了为这些设备创造新材料的进展。
(资料图)
在快速发展的生物电子领域，称为共轭聚合物的软导电材料用于开发可在传统临床环境之外使用的医疗设备。例如，此类材料可用于制造远程监测患者健康状况的可穿戴传感器或主动治疗疾病的植入式设备。
在此类设备中使用共轭聚合物电极的最大好处是它们能够将离子(负责大脑和身体中的电信号)与电子(电子设备中电信号的载体)无缝耦合。这种协同作用改善了大脑和医疗设备之间的连接，有效地在这两种类型的信号之间进行转换。
在发表在《自然材料》上的这项关于共轭聚合物电极的最新研究中，研究人员报告了一个意想不到的发现。传统上认为离子的运动是充电过程中最慢的部分，因为它们比电子重。然而，研究表明，在共轭聚合物电极中，“空穴”的移动(电子移动的空白空间)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实时密切观察充电过程，发现当充电水平较低时，空穴的移动效率低下，导致充电过程比预期慢得多。换句话说，与标准知识相反，在这种特定材料中离子的传导速度比电子更快。
这一意外发现为了解影响充电速度的因素提供了宝贵的见解。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的移动速度。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具有改进性能的共轭聚合物，从而实现更快、更高效的充电过程。
“我们的研究结果挑战了对电化学设备充电过程的传统理解，”来自剑桥大学卡文迪什实验室和电气工程部的第一作者斯科特·基恩说。“空穴的移动作为电子移动的空白空间，在低充电水平期间可能出奇地低效，导致意外的减速。”
这些发现的影响是深远的，为生物电子学、能量存储和类脑计算等应用的电化学设备领域的未来研究和开发提供了一条有前途的途径。
“这项工作通过阐明共轭聚合物电化学掺杂过程中发生的基本步骤并强调聚合物能带结构的作用，解决了有机电子学中长期存在的问题。”工程系电气工程系Philip技术教授。
“随着对充电过程的深入了解，我们现在可以探索创建可与人体无缝集成的尖端医疗设备、提供实时健康监测的可穿戴技术以及新能源存储解决方案的新可能性。提高效率，”同样来自剑桥卡文迪什实验室的共同高级作者AkshayRao教授总结道。
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