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《Science》自然界只给了我们一种电子?那就用离子

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自然界只提供了一种电子,却提供了许多种离子。计算和信号传播主要依靠电子作为电荷载流子,而生物主要使用离子。随着基于软离子导体的离子电子器件的出现,这一模式已经开始发生转变,例如含有溶解盐的水凝胶或者离子液体膨胀的聚合凝胶。这些离子导体提供了电子导体不易获得的特性,包括内在的延展性、光学透明性和生物相容性等。在p型和n型半导体中空穴和电子的选择性传输,以及p-n结的矫正行为,提供了二极管、晶体管和逻辑元件等。通过类比,离子运输和选择性离子通道可以精确控制离子进出细胞膜,使神经系统能够进行复杂的信号处理。因此,软离子类似物的发展有望使计算、信号处理和记忆设备具有固有的变形能力。

最近以来,在固态离子二极管和晶体管中使用聚电解质凝胶已被证明。然而,这些先前的装置受到液体电解质所固有的限制,这种电解质很容易泄漏或蒸发。.而且,他们完全依赖在法拉第电化学过程,以此实现离子电流和电流之间的转换,通过电化学氧化还原反应速率限制了信号响应时间。这一切都归结于电极溶解、气体产生和化学成分的变化。

近日,马萨诸塞大学Ryan C. Hayward教授和哈佛大学锁志刚教授的一项最新研究表明,使用离子双层来矫正和切换离子电流的离子弹性体二极管和晶体管,其中阴离子或阳离子被固定在弹性体网络上,而其他离子可以移动,从而避免液体泄漏和蒸发的问题。相关论文以题为“Ionoelastomerjunctions between polymer networks of fixed anions and cations”与2020年2月13日发表在《Science》上.

论文链接

https://science.sciencemag.org/content/367/6479/773?rss=1

具体来看,作者制备了1-乙基-3-甲基咪唑(3-硫丙基)丙烯酸酯(ES)和1-[2-丙烯酰氧乙基]-3-丁基咪唑双(三氟甲烷)磺酰亚胺(AT)离子弹性体聚合物,轻交联的离子弹性体是高度可伸缩的,能与柔性和可穿戴设备的要求兼容。其中阴离子和阳离子被束缚在弹性网络上,但其缔合的反离子是可以移动的,使它们成为p型和n型电子半导体的离子类似物。聚阴离子/聚阳离子异质结,这两个极性相反的两个离子弹性体结产生离子双层(IDL),它能够在没有电化学反应的情况下进行整流和开关离子电流。

图1. 在两个相反电荷的离子弹性体界面形成IDL的示意图及相应的表征

流动离子的耗尽和固定离子的过量在两层之间提供了很强的静电粘附,连接处的延展性使机电传导成为可能。利用离子液体基团的宽电化学窗口和具有高表面积碳纳米管电极/离子弹性体界面,证明了完全不属于法拉第矫正。这一结果使可伸缩的离子电路元件,包括二极管、晶体管和机电换能器成为可能。离子弹性体完全由交联聚电解质网络和相关的反离子构成,不含任何的液体成分。因此,它们本质上不受泄漏或蒸发的影响。

图2. 离子弹性体二极管

图3. 离子弹性体晶体管

图4. 离子弹性体机电换能器

通过本文的研究,展现了离子弹性体异质结结构表现为流动离子的熵耗尽,最终形成离子双层(IDL)的过程。同时采用高比表面积的碳纳米管电极,作者展示了基于电容性的非法拉第过程的无液体离子弹性体二极管、晶体管和机电换能器。基于以上,作者在文章最后指出,自然界只提供了一种电子,却提供了许多种离子,这可能很快就会转化为具有广泛的物理、化学和生物活性的离子弹性体装置。

来源:材料科学与工程公众号。作者:Caspar

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