Ionit ja elektronit yhdessä uuteen vauhtiin

Washington State Universityn ja Lawrence Berkeley National Laboratoryn tutkijat ovat löytäneet tavan saada ionit liikkumaan yli kymmenen kertaa nopeammin orgaanisissa ioni-elektroniikkajohteissa (OMIEC).

Näissä johtimissa yhdistyvät monien biologisten järjestelmien, mukaan lukien ihmiskehon, käyttämän ionisignaloinnin edut tietokoneiden käyttämän elektronisignaloinnin kanssa.

Uusi kehitys nopeuttaa ionien liikettä näissä johteissa käyttämällä molekyylejä, jotka houkuttelevat ja keskittävät ioneja erilliseen nanokanavaan luoden eräänlaisen pienen "ionisupervaltatien".

Tämäntyyppisissä johteissa on paljon potentiaalia, koska ne mahdollistavat sekä ionien että elektronien liikkeen kerralla, mikä on kriittistä akun lataamisen ja energian varastoinnin kannalta. Ne mahdollistavat myös tekniikoita, jotka yhdistävät biologisia ja sähköisiä mekanismeja, kuten neuromorfista laskentaa.

Aiemmin ei ole tarkasti ymmärretty, kuinka nämä johteet koordinoivat sekä ionien että elektronien liikettä. Osana tätä tutkimusta Collins ja kollegat havaitsivat, että ionit liikkuivat johteessa suhteellisen hitaasti. Niiden koordinoidun liikkumisen vuoksi hidas ioniliike hidasti myös sähkövirtaa.

Ongelman kiertämiseksi tutkijat loivat suoran nanometrin kokoisen kanavan vain ioneille. Sitten heidän piti houkutella ioneja siihen. Sitä varten he kääntyivät biologian puoleen. Kaikki elävät solut, mukaan lukien ihmiskehon solut, käyttävät ionikanavia siirtääkseen yhdisteitä soluihin ja niistä ulos, joten Collinsin tiimi käytti samanlaista mekanismia, joka löytyy soluista: molekyylejä, jotka rakastavat tai vihaavat vettä.

Ensin Collinsin tiimi vuorasi kanavan vettä rakastavilla hydrofiilisillä molekyyleillä, jotka vetivät puoleensa veteen liuenneita ioneja, jotka tunnetaan myös elektrolyyttinä. Ionit liikkuivat sitten erittäin nopeasti kanavan läpi - yli kymmenen kertaa nopeammin kuin pelkän veden läpi. Se edustaa nyt uutta maailmanennätystä ionien nopeudessa kaikissa dokumentoiduissa materiaaleissa.

Sitä vastoin kun tutkijat vuorasivat kanavan hydrofobisilla, vettä hylkivillä molekyyleillä, ionit pysyivät poissa ja pakotettiin kulkemaan sen sijaan hitaamman reitin kautta.

Collinsin ryhmä havaitsi myös, että kemialliset reaktiot voivat muuttaa molekyylien houkuttelevuutta elektrolyytille. Tämä avaisi ja sulkisi ionien supervaltatien, aivan samalla tavalla kuin biologiset järjestelmät hallitsevat pääsyä soluseinien läpi.

Osana tutkimuksiaan ryhmä loi anturin, joka pystyi nopeasti havaitsemaan kemiallisen reaktion kanavan lähellä, koska reaktio avaisi tai sulkisi ionien supervaltatien luoden sähköpulssin, jonka tietokone voisi lukea.

Tämä nanomittakaavassa oleva tunnistuskyky voisi auttaa havaitsemaan ympäristön saasteet tai neuronit, jotka virittävät impulssejaan kehossa ja aivoissa, mikä on yksi monista tämän saavutuksen mahdollisista käyttötavoista." Collins toteaa yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Pehmeitä ferrosähköistä ja puolijohteisia muoveja

Neuroverkkolaskentaa vedessä

Hyppivillä ioneilla on muisti