Обычно при затвердевании жидкостей молекулы фиксируются на месте, что значительно затрудняет движение ионов и приводит к резкому снижению ионной проводимости. Теперь учёные Оксфордского университета синтезировали новый класс материалов, называемых независимыми от состояния электролитами, которые нарушают это правило. Результаты исследования опубликованы в Science.
Команда добилась этого результата, создав класс органических молекулярных ионов с особыми физическими и электронными свойствами. Каждая молекула имеет плоский дискообразный центр, окружённый длинными гибкими боковыми цепями, — как колесо с мягкой щетиной. Положительный заряд равномерно распределяется по молекуле за счёт движения электронов, что не позволяет ей плотно связываться со своим отрицательно заряженным партнёром. Это позволяет отрицательным ионам свободно перемещаться, проходя через боковые цепи («мягкую щетину»).
Затем, в твёрдом состоянии, органические ионы естественным образом накладываются друг на друга, образуя длинные жёсткие колонны, окружённые множеством гибких «рук»: что-то вроде статических роликов на автомойке. Несмотря на то, что они образуют упорядоченную структуру, гибкие боковые цепи всё равно оставляют достаточно места для того, чтобы отрицательные ионы могли двигаться так же свободно, как в жидкости.
Результат: динамичная упорядоченная структура, которая позволяет отрицательно заряженным ионам перемещаться как в твёрдом, так и в жидком состоянии без резкого снижения ионной проводимости.
Профессор Пол МакГонигал из Оксфордского университета, ведущий автор работы, говорит: «Мы разработали материалы в надежде, что ионы будут двигаться по гибкой самоорганизующейся сети интересным образом. Когда мы протестировали их, то с удивлением обнаружили, что их поведение не меняется в жидкой, жидкокристаллической и твёрдой фазах. Это был действительно впечатляющий результат, и мы были рады узнать, что его можно воспроизвести с разными типами ионов».
Джульет Барклай, первый автор исследования, пояснила: «Мы показали, что органические материалы можно модифицировать таким образом, чтобы движение ионов не прекращалось при затвердевании материала. Это открывает возможности для создания более безопасных и лёгких твердотельных устройств, которые эффективно работают в широком диапазоне температур».
Это открытие может привести к появлению новых классов гибких и безопасных твёрдых электролитов. Одним из возможных вариантов использования может быть добавление электролита в устройство в жидком виде при слегка повышенной температуре, что обеспечит хороший контакт с электродами, а затем охлаждение до температуры окружающей среды и использование в безопасной твёрдой форме без потери ионной проводимости.
Полученные твёрдые электролиты могут найти применение в аккумуляторах, датчиках и электрохромных устройствах, где органические твёрдые вещества, как правило, имеют преимущества перед неорганическими благодаря небольшому весу, гибким физическим свойствам и возможности возобновляемого получения.
Исследовательская группа из Оксфорда сейчас работает над повышением проводимости и универсальности этих материалов, а также над их использованием в электронных устройствах для вычислений.
