Un nouveau record de vitesse des ions pourrait permettre d'accélérer le chargement des batteries et la biodétection
Un record de vitesse a été battu grâce aux nanosciences, ce qui pourrait déboucher sur une multitude de nouvelles avancées, notamment l'amélioration du chargement des batteries, la biodétection, la robotique douce et l'informatique neuromorphique.
Des vitesses d'ions record sont atteintes dans les conducteurs organiques où les molécules locales peuvent attirer ou repousser les ions des nanocanaux qui agissent comme des autoroutes ioniques.
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Des scientifiques de l'université de l'État de Washington et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont découvert un moyen de multiplier par dix la vitesse de déplacement des ions dans des conducteurs organiques mixtes ion-électronique. Ces conducteurs combinent les avantages de la signalisation ionique utilisée par de nombreux systèmes biologiques, y compris le corps humain, avec la signalisation électronique utilisée par les ordinateurs.
Le nouveau développement, décrit dans la revue Advanced Materials, accélère le mouvement des ions dans ces conducteurs en utilisant des molécules qui attirent et concentrent les ions dans un nanocanal séparé, créant ainsi une sorte de minuscule "autoroute ionique".
"Pouvoir contrôler ces signaux que la vie utilise en permanence d'une manière que nous n'avons jamais pu faire est assez puissant", a déclaré Brian Collins, physicien à la WSU et auteur principal de l'étude. "Cette accélération pourrait également avoir des effets bénéfiques sur le stockage de l'énergie, ce qui pourrait avoir un impact important.
Ces types de conducteurs sont très prometteurs car ils permettent le déplacement simultané d'ions et d'électrons, ce qui est essentiel pour le chargement des batteries et le stockage de l'énergie. Ils alimentent également les technologies qui combinent les mécanismes biologiques et électriques, comme l'informatique neuromorphique, qui tente d'imiter les schémas de pensée du cerveau et du système nerveux humains.
Toutefois, la manière dont ces conducteurs coordonnent le mouvement des ions et des électrons n'est pas encore bien comprise. Dans le cadre des recherches effectuées pour cette étude, Collins et ses collègues ont observé que les ions se déplaçaient relativement lentement à l'intérieur du conducteur. En raison de leur mouvement coordonné, le mouvement lent des ions ralentissait également le courant électrique.
"Nous avons constaté que les ions circulaient bien dans le conducteur, mais qu'ils devaient passer par cette matrice, comme un nid de rats, pour que les électrons puissent circuler. Cela ralentissait les ions", explique M. Collins.
Pour contourner ce problème, les chercheurs ont créé un canal droit de taille nanométrique réservé aux ions. Ils ont ensuite dû attirer les ions dans ce canal. Pour cela, ils se sont tournés vers la biologie. Toutes les cellules vivantes, y compris celles du corps humain, utilisent des canaux ioniques pour faire entrer et sortir des composés des cellules. L'équipe de Collins a donc utilisé un mécanisme similaire présent dans les cellules : des molécules qui aiment ou détestent l'eau.
Tout d'abord, l'équipe de Collins a tapissé le canal de molécules hydrophiles qui aiment l'eau et attirent les ions dissous dans l'eau, également appelée électrolyte. Les ions se sont alors déplacés très rapidement dans le canal, à des vitesses plus de dix fois supérieures à celles qu'ils auraient atteintes dans l'eau seule. Le mouvement des ions représente un nouveau record mondial de vitesse d'ions dans un matériau quelconque.
À l'inverse, lorsque les chercheurs ont tapissé le canal de molécules hydrophobes, qui repoussent l'eau, les ions sont restés à l'écart et ont été contraints de passer par le "nid de rat", plus lent.
L'équipe de Collins a découvert que des réactions chimiques pouvaient inverser l'attrait des molécules pour l'électrolyte. Cela permettrait d'ouvrir et de fermer l'autoroute ionique, de la même manière que les systèmes biologiques contrôlent l'accès à travers les parois cellulaires.
Dans le cadre de ses recherches, l'équipe a créé un capteur capable de détecter rapidement une réaction chimique à proximité du canal, car la réaction ouvrirait ou fermerait la superautoroute ionique, créant ainsi une impulsion électrique qu'un ordinateur pourrait lire.
Cette capacité de détection à l'échelle nanométrique pourrait aider à détecter la pollution dans l'environnement ou les neurones en activité dans le corps et le cerveau, ce qui est l'une des nombreuses utilisations potentielles de ce développement, a déclaré M. Collins.
"La prochaine étape consistera à découvrir tous les mécanismes fondamentaux permettant de contrôler ce mouvement ionique et d'appliquer ce nouveau phénomène à la technologie de diverses manières", a-t-il déclaré.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Local Chemical Enhancement and Gating of Organic Coordinated Ionic-Electronic Transport; Advanced Materials 2024
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