Neuer Geschwindigkeitsrekord für Ionen birgt Potenzial für schnellere Batterieladung und Biosensorik

20.11.2024

Mit Hilfe der Nanowissenschaft wurde ein Geschwindigkeitsrekord aufgestellt, der zu zahlreichen neuen Fortschritten führen könnte, u. a. bei der Verbesserung der Batterieladung, der Biosensorik, der sanften Robotik und der neuromorphen Datenverarbeitung.

Wissenschaftler der Washington State University und des Lawrence Berkeley National Laboratory haben einen Weg gefunden, wie sich Ionen in gemischten organischen ionenelektronischen Leitern mehr als zehnmal schneller bewegen können. Diese Leiter kombinieren die Vorteile der von vielen biologischen Systemen, einschließlich des menschlichen Körpers, verwendeten Ionen-Signalübertragung mit der von Computern verwendeten Elektronen-Signalübertragung.

Die neue Entwicklung, die in der Zeitschrift Advanced Materials beschrieben wird, beschleunigt die Ionenbewegung in diesen Leitern durch den Einsatz von Molekülen, die Ionen anziehen und in einem separaten Nanokanal konzentrieren, wodurch eine Art winzige "Ionenautobahn" entsteht.

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"Die Möglichkeit, diese Signale, die das Leben ständig nutzt, auf eine Art und Weise zu kontrollieren, die uns bisher nicht möglich war, ist ziemlich mächtig", sagt Brian Collins, WSU-Physiker und Hauptautor der Studie. "Diese Beschleunigung könnte auch Vorteile für die Energiespeicherung haben, was einen großen Einfluss haben könnte.

Diese Art von Leitern birgt ein großes Potenzial, da sie die gleichzeitige Bewegung von Ionen und Elektronen ermöglichen, was für das Aufladen von Batterien und die Energiespeicherung entscheidend ist. Sie treiben auch Technologien an, die biologische und elektrische Mechanismen kombinieren, wie das neuromorphe Computing, das versucht, Denkmuster im menschlichen Gehirn und Nervensystem zu imitieren.

Wie genau diese Leiter die Bewegung von Ionen und Elektronen koordinieren, ist jedoch noch nicht gut verstanden. Im Rahmen der Untersuchungen für diese Studie beobachteten Collins und seine Kollegen, dass sich die Ionen innerhalb des Leiters relativ langsam bewegen. Aufgrund ihrer koordinierten Bewegung verlangsamte die langsame Ionenbewegung auch den elektrischen Strom.

"Wir stellten fest, dass die Ionen im Leiter zwar gut fließen konnten, aber sie mussten durch diese Matrix hindurch, die wie ein Rattennest aus Pipelines aussah, damit die Elektronen fließen konnten. Dadurch wurden die Ionen verlangsamt", so Collins.

Um dieses Problem zu umgehen, schufen die Forscher einen geraden, nanometergroßen Kanal nur für die Ionen. Dann mussten sie die Ionen in diesen Kanal locken. Dazu wandten sie sich an die Biologie. Alle lebenden Zellen, auch die des menschlichen Körpers, verwenden Ionenkanäle, um Verbindungen in die Zellen hinein und aus ihnen heraus zu transportieren, also nutzte das Team von Collins einen ähnlichen Mechanismus, der in Zellen zu finden ist: Moleküle, die Wasser lieben oder hassen.

Zunächst kleidete das Team von Collins den Kanal mit wasserliebenden, hydrophilen Molekülen aus, die die in Wasser gelösten Ionen, auch als Elektrolyt bekannt, anzogen. Die Ionen bewegten sich daraufhin sehr schnell durch den Kanal - mehr als zehnmal schneller, als sie es durch Wasser allein tun würden. Die Bewegung der Ionen stellte einen neuen Weltrekord für die Geschwindigkeit von Ionen in einem beliebigen Material dar.

Wenn die Forscher dagegen den Kanal mit hydrophoben, wasserabweisenden Molekülen auskleideten, blieben die Ionen fern und waren gezwungen, stattdessen durch das langsamere "Rattennest" zu wandern.

Collins' Team fand heraus, dass chemische Reaktionen die Anziehungskraft der Moleküle auf den Elektrolyten umkehren können. Dies würde die Ionenautobahn öffnen und schließen, ähnlich wie biologische Systeme den Zugang durch Zellwände kontrollieren.

Im Rahmen ihrer Untersuchungen entwickelte das Team einen Sensor, der eine chemische Reaktion in der Nähe des Kanals schnell erkennen kann, da die Reaktion die Ionenautobahn öffnet oder schließt und einen elektrischen Impuls erzeugt, den ein Computer auslesen kann.

Diese Fähigkeit zur Erkennung im Nanomaßstab könnte dabei helfen, Umweltverschmutzung oder das Feuern von Neuronen im Körper und im Gehirn zu erkennen, was eine von vielen möglichen Anwendungen dieser Entwicklung ist, so Collins.

"Der nächste Schritt besteht darin, die grundlegenden Mechanismen zu erforschen, um diese Ionenbewegung zu kontrollieren und dieses neue Phänomen auf verschiedene Weise in die Technologie einzubringen", sagte er.

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