劍橋大學的研究人員公佈了一項驚人的發現，它有可能重塑電化學設備的格局。這一新發現為創造尖端材料打開了大門，並為增強能源存儲、神經形態計算和生物電子學等領域的功能鋪平了道路。電化學設備依靠帶電粒子（離子和電子）的運動來正常工作。然而，了解這些帶電粒子如何一起運動一直是一個巨大的挑戰，阻礙了為這些設備創造新材料的進展。

藝術家繪製的水中電子聚合物圖–同時傳導離子電荷和電子電荷。資料來源：Scott T. Keene

在快速發展的生物電子學領域，被稱為共軛聚合物的軟導電材料被用於開發可在傳統臨床環境之外使用的醫療設備。例如，這類材料可用於製造遠程監測病人健康狀況的可穿戴傳感器，或積極治療疾病的植入式設備。

在這類設備中使用共軛聚合物電極的最大好處是，它們能夠將負責大腦和身體電信號的離子與電子（電子設備中的電信號載體）無縫耦合。這種協同作用改善了大腦與醫療設備之間的連接，有效地轉換了這兩種信號。

在發表於《自然-材料》（Nature Materials）上的這項有關共軛聚合物電極的最新研究中，研究人員報告了一項意想不到的發現。人們通常認為，離子的運動是充電過程中最慢的部分，因為離子比電子重。然而，這項研究發現，在共軛聚合物電極中，”空穴”（供電子移動的空隙）的移動可能是材料充電速度的限制因素。

研究人員使用專門的顯微鏡對充電過程進行了實時密切觀察，發現當充電水平較低時，空穴的移動效率很低，導致充電過程比預期的慢得多。換句話說，與標準知識相反，在這種特殊材料中，離子的傳導速度比電子快。

這一意外發現為我們深入了解影響充電速度的因素提供了寶貴的線索。令人興奮的是，研究小組還確定，通過操縱材料的微觀結構，可以調節充電過程中空穴移動的速度。這種新發現的控制和微調材料結構的能力可以讓科學家們設計出性能更好的共軛聚合物，從而實現更快、更高效的充電過程。

第一作者、劍橋大學卡文迪什實驗室和電氣工程部的斯科特-基恩（Scott Keene）說：”我們的發現挑戰了人們對電化學設備充電過程的傳統認識。在低水平充電過程中，作為電子移動空隙的空穴的移動效率會出奇地低，從而導致意想不到的減速”。

這些發現影響深遠，為未來生物電子學、能量存儲和類腦計算等應用領域的電化學設備研發提供了一條大有可為的途徑。

這項研究的資深作者、工程系電子工程分部菲利普親王技術教授George Malliaras 說：”這項工作闡明了共軛聚合物電化學摻雜過程中發生的基本步驟，並強調了聚合物帶狀結構的作用，從而解決了有機電子學中一個長期存在的問題。”

“隨著對充電過程有了更深入的了解，我們現在可以探索創造能與人體無縫結合的尖端醫療設備、提供實時健康監測的可穿戴技術以及效率更高的新型能源存儲解決方案的新可能性，”共同第一作者、劍橋大學卡文迪什實驗室的Akshay Rao 教授總結道。