Neue Studie erschüttert konventionelle Weisheiten und eröffnet die Zukunft elektrochemischer Geräte

"Unsere Ergebnisse stellen das herkömmliche Verständnis des Ladevorgangs in elektrochemischen Geräten in Frage"

18.07.2023 - Großbritannien

Eine neue Studie von Forschern der University of Cambridge enthüllt eine überraschende Entdeckung, die die Zukunft elektrochemischer Geräte verändern könnte. Die Ergebnisse bieten neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien und verbesserter Leistungen in Bereichen wie Energiespeicherung, gehirnähnliche Computer und Bioelektronik.

Scott T. Keene

Künstlerische Darstellung eines elektronischen Polymers in Wasser, das sowohl ionische als auch elektronische Ladungen leitet.

Elektrochemische Geräte sind auf die Bewegung geladener Teilchen, sowohl Ionen als auch Elektronen, angewiesen, um richtig zu funktionieren. Das Verständnis, wie sich diese geladenen Teilchen zusammen bewegen, stellt jedoch eine große Herausforderung dar und behindert den Fortschritt bei der Entwicklung neuer Materialien für diese Geräte.

Auf dem sich rasch entwickelnden Gebiet der Bioelektronik werden weiche, leitfähige Materialien, so genannte konjugierte Polymere, für die Entwicklung medizinischer Geräte verwendet, die auch außerhalb des traditionellen klinischen Umfelds eingesetzt werden können. Diese Art von Materialien kann zum Beispiel für die Herstellung von tragbaren Sensoren verwendet werden, die den Gesundheitszustand von Patienten aus der Ferne überwachen, oder für implantierbare Geräte, die Krankheiten aktiv behandeln.

Der größte Vorteil der Verwendung konjugierter Polymerelektroden für diese Art von Geräten ist ihre Fähigkeit, Ionen, die für elektrische Signale im Gehirn und im Körper verantwortlich sind, nahtlos mit Elektronen, den Trägern elektrischer Signale in elektronischen Geräten, zu verbinden. Diese Synergie verbessert die Verbindung zwischen dem Gehirn und den medizinischen Geräten, indem sie effektiv zwischen diesen beiden Arten von Signalen überträgt.

In dieser neuesten Studie über konjugierte Polymerelektroden, die in Nature Materials veröffentlicht wurde, berichten die Forscher über eine unerwartete Entdeckung. Herkömmlicherweise wird angenommen, dass die Bewegung von Ionen der langsamste Teil des Ladevorgangs ist, weil sie schwerer sind als Elektronen. Die Studie zeigt jedoch, dass in konjugierten Polymerelektroden die Bewegung von "Löchern" - leere Räume, in die Elektronen eindringen können - der begrenzende Faktor dafür sein kann, wie schnell sich das Material auflädt.

Mithilfe eines speziellen Mikroskops beobachteten die Forscher den Ladevorgang in Echtzeit und stellten fest, dass die Bewegung von Löchern bei geringem Ladezustand ineffizient ist, so dass sich der Ladevorgang viel stärker verlangsamt als erwartet. Mit anderen Worten: Entgegen dem üblichen Wissen leiten Ionen in diesem speziellen Material schneller als Elektronen.

Diese unerwartete Erkenntnis liefert einen wertvollen Einblick in die Faktoren, die die Ladegeschwindigkeit beeinflussen. Spannenderweise stellte das Forscherteam auch fest, dass es durch Manipulation der mikroskopischen Struktur des Materials möglich ist, zu regulieren, wie schnell sich die Löcher während der Aufladung bewegen. Diese neu entdeckte Kontrolle und Fähigkeit zur Feinabstimmung der Materialstruktur könnte es den Wissenschaftlern ermöglichen, konjugierte Polymere mit verbesserter Leistung zu entwickeln, die schnellere und effizientere Ladevorgänge ermöglichen.

"Unsere Ergebnisse stellen das herkömmliche Verständnis des Ladevorgangs in elektrochemischen Geräten in Frage", so Erstautor Scott Keene vom Cavendish Laboratory in Cambridge und der Electrical Engineering Division. "Die Bewegung von Löchern, die als leere Räume für Elektronen dienen, kann bei niedrigen Ladestufen überraschend ineffizient sein und unerwartete Verlangsamungen verursachen.

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse sind weitreichend und bieten einen vielversprechenden Weg für die künftige Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der elektrochemischen Geräte für Anwendungen wie Bioelektronik, Energiespeicherung und gehirnähnliche Datenverarbeitung.

"Diese Arbeit befasst sich mit einem seit langem bestehenden Problem in der organischen Elektronik, indem sie die elementaren Schritte beleuchtet, die während der elektrochemischen Dotierung konjugierter Polymere ablaufen, und die Rolle der Bandstruktur des Polymers hervorhebt", sagte George Malliaras, Hauptautor der Studie und Prinz Philip Professor für Technologie in der Abteilung für Elektrotechnik der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.

"Mit einem tieferen Verständnis des Ladevorgangs können wir nun neue Möglichkeiten für die Entwicklung modernster medizinischer Geräte, die sich nahtlos in den menschlichen Körper integrieren lassen, für tragbare Technologien, die eine Echtzeit-Gesundheitsüberwachung ermöglichen, und für neue Energiespeicherlösungen mit verbesserter Effizienz erkunden", schloss Prof. Akshay Rao, Mitautor der Studie, ebenfalls vom Cavendish Laboratory in Cambridge.

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