超快速導電材料問世 為製造強大電池開啟大門

Daphane

來源:大紀元



水分子通過細胞膜機制示意圖。新研究通過模仿這一機制製造出特殊材料，從而讓帶電離子可以快速流動。(BruceBlaus/CC By-SA 3.0)

【大紀元2024年12月10日訊】（大紀元記者薛止墨編譯報導）人類細胞啟發了下一代能源儲存技術，一種模仿人類細胞的新型離子高速公路有望顯著提升電池性能。

科學家們正在利用自然界的某些化學特徵來模仿人體細胞中的開關。通過將吸引或排斥水的分子排列起來，科學家們得以創建類似於電路設計和計算中常常使用到的邏輯門（Logic Gate），從而開啟帶電離子快速流動的通道。這不僅是一個好消息而已，也是我們尊重人體複雜性而帶來重大成果的一個例證。

由來自加州伯克利的勞倫斯伯克利國家實驗室和華盛頓州立大學的研究者所撰寫的關於這項研究的新論文已在11月19日發表在《高級材料》（Advanced Materials）期刊上。

帶電離子高速公路

在實驗中，五位共同作者利用人體化學的知識構建了一個以膠狀形式存在的納米顆粒網絡，從而利用這些材料在自然界中如何「膨脹」以適應帶電離子的通過。水和離子在人體中至關重要——我們的身體傳導大量的電能，並依賴專用通道和某些障礙物來傳遞離子和水。這一材料的成功得益於其中使用的親水性（喜水，hydrophilic）分子和疏水性（排水，hydrophobic）分子呈現出的巨大反差。

為了構建這條水基離子高速公路，科學家們使用了由疏水性和親水性分子所構成的三層「薄膜」結構。化學原理使其能夠「吸引離子」進入這條高速公路，並通過用疏水性分子包圍親水性通道來創建匝道（on-ramp）。這一過程模仿了我們細胞用來控制水是否通過細胞壁的機制，從而將電解質和其它物質運輸到人體中。

在這次實驗中使用的特殊材料類型被稱為「有機混合離子電子導體」（OMIEC），其中的離子通常會混亂地運行，從而減慢電流的通過。它們這種混亂性與水被引導而有序快速地通過細胞壁形成鮮明對照。「我們發現，離子在導體中流動得不錯，但它們必須流過一個矩陣，這個矩陣就像錯綜複雜的老鼠洞一般的電子流管道，這減慢了離子流的的速度。」資深作者Brian Collins在華盛頓州立大學發布的聲明中表示。

因此，為它們提供一條寬敞的離子高速公路會大幅提升其運輸速度。這些匝道的設計以及利用化學方法來切換它們，模仿了人體分子運輸的行為，而這些行為的奧妙之處我們至今仍未完全理解。例如，我們不確定體內的某些分子（如某些蛋白質）是如何能夠執行多達六種不同的任務，這些任務需要蛋白質呈現完全不同的形狀。

仿生研究開拓新天地

有時，科學將人體簡化為一台「機器」，這種觀點會阻礙進步，它忽視了系統的複雜性，從而導致基於不完整信息而得出錯誤結論。我們的細胞並不是一台機器，它們更像是可以在一天內多次切換工作的自由工作者，以支持各種複雜的任務，而這一切都依賴於我們體內的各種分子。

在構建了仿生薄膜並測試其離子運輸速度後，研究人員發現，這條離子「高速公路」讓運輸速度比傳統的電泳方法快了整整一個數量級。這兩種方法在鋰離子電池的生產和設計中都有應用，因為離子的流速會影響電池的功率輸出、充電時間和容量。

一想到利用仿生的分子開關就能更有組織地將離子引導到所需位置，這實在令人興奮。想像一下，之前需要將一排水杯放在飛濺的雨水下來取水，現在忽然發現原來可以使用一種叫作水龍頭的東西，更快更好地達成目標。這正是針對此項新研究成果最形象化的解釋。