Исследователи обнаружили, как заставить ионы – электрически заряженные атомы – двигаться в десять раз быстрее, чем они могли бы двигаться только в воде. Это открытие, названное «ионной супермагистралью», открывает перспективы для новых технологических разработок — от батарей, способных заряжаться быстрее, чем когда-либо прежде, до биосенсоров и мягких роботов.
Создание таких ионных супермагистралей стало возможным благодаря молекулярному проектированию. Учёные использовали молекулы, способные концентрировать ионы вдоль определенных наноканалов в проводящем материале.
«Способность контролировать эти сигналы, которые природа использует постоянно, совершенно новым способом — это очень мощный инструмент, — заявил ведущий автор исследования, Брайан Коллинз (Brian Collins) из Университета штата Вашингтон. — Это ускорение также в состоянии иметь преимущества для хранения энергии, что может иметь большое значение.»
Ионы — это атомы, которые либо потеряли, либо приобрели электроны, из-за чего они становятся заряженными. Электроны — это отрицательно заряженные фундаментальные частицы, присутствующие во всех атомах, и их движение составляет основу электричества. Движение электронов и ионов оставалось не до конца изученным, но эта работа была направлена на устранение этого пробела.
«Мы обнаружили, что ионы хоть и двигались по проводнику, но им приходилось пробираться через сложную матрицу, похожую на лабиринт из трубопроводов, через которые текут электроны. Это замедляло их движение», — объяснил Коллинз.
Исследователи создали канал размером в несколько нанометров, чтобы ионы могли двигаться без препятствий, но сначала необходимо было направить ионы в этот канал. Решение подсказала природа: они скопировали то, как через свои стенки пропускают ионы клетки.
Команда выстлала канал молекулами, которые либо притягивали, либо отталкивали воду — говоря научным языком, гидрофильными или гидрофобными молекулами. Когда канал был выстлан гидрофильными молекулами, ионы двигались с самой высокой зарегистрированной скоростью в любом материале. Однако при использовании гидрофобных молекул ионы даже не попадали в канал. Исследователи выяснили, что химическая реакция может регулировать поток, переключая молекулы из гидрофильного состояния в гидрофобное и наоборот.
Эта система работает и в обратную сторону. Команда разработала сенсор, который фиксирует химическую реакцию у входа в канал, поскольку реакция прерывала поток ионов, что тут же регистрировалось прибором. Это открытие можно использовать для обнаружения загрязнений или изучения человеческой нервной системы, а также в ряде других приложений.
«Следующим шагом будет изучение всех фундаментальных механизмов управления движением ионов и внедрение этого нового явления в технологии различными способами», — добавил Коллинз.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
