Une nouvelle étude brise les idées reçues et ouvre l’avenir des appareils électrochimiques


Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de Cambridge révèle une découverte surprenante qui pourrait transformer l’avenir des dispositifs électrochimiques. Les découvertes offrent de nouvelles opportunités pour le développement de matériaux avancés et l’amélioration des performances dans des domaines tels que le stockage d’énergie, l’informatique semblable au cerveau et la bioélectronique.

Les appareils électrochimiques reposent sur le mouvement des particules chargées, à la fois des ions et des électrons, pour fonctionner correctement. Cependant, comprendre comment ces particules chargées se déplacent ensemble a présenté un défi important, entravant les progrès dans la création de nouveaux matériaux pour ces dispositifs.

Dans le domaine en évolution rapide de la bioélectronique, des matériaux conducteurs souples connus sous le nom de polymères conjugués sont utilisés pour développer des dispositifs médicaux qui peuvent être utilisés en dehors des environnements cliniques traditionnels. Par exemple, ce type de matériaux peut être utilisé pour fabriquer des capteurs portables qui surveillent la santé des patients à distance ou des dispositifs implantables qui traitent activement la maladie.

Le plus grand avantage de l’utilisation d’électrodes polymères conjuguées pour ce type d’appareils est leur capacité à coupler de manière transparente les ions, responsables des signaux électriques dans le cerveau et le corps, avec les électrons, porteurs des signaux électriques dans les appareils électroniques. Cette synergie améliore la connexion entre le cerveau et les dispositifs médicaux, traduisant efficacement entre ces deux types de signaux.

Dans cette dernière étude sur les électrodes polymères conjuguées, publiée dans Matériaux naturels, des chercheurs rapportent une découverte inattendue. On pense généralement que le mouvement des ions est la partie la plus lente du processus de charge car ils sont plus lourds que les électrons. Cependant, l’étude a révélé que dans les électrodes polymères conjuguées, le mouvement des “trous” – des espaces vides dans lesquels les électrons peuvent se déplacer – peut être le facteur limitant de la rapidité avec laquelle le matériau se charge.

À l’aide d’un microscope spécialisé, les chercheurs ont observé de près le processus de charge en temps réel et ont découvert que lorsque le niveau de charge est faible, le mouvement des trous est inefficace, ce qui ralentit le processus de charge beaucoup plus que prévu. En d’autres termes, et contrairement aux connaissances habituelles, les ions conduisent plus vite que les électrons dans ce matériau particulier.

Cette découverte inattendue fournit un aperçu précieux des facteurs influençant la vitesse de charge. De manière passionnante, l’équipe de recherche a également déterminé qu’en manipulant la structure microscopique du matériau, il est possible de réguler la vitesse à laquelle les trous se déplacent pendant la charge. Ce nouveau contrôle et cette capacité à affiner la structure du matériau pourraient permettre aux scientifiques de concevoir des polymères conjugués avec des performances améliorées, permettant des processus de charge plus rapides et plus efficaces.

“Nos découvertes remettent en question la compréhension conventionnelle du processus de charge dans les appareils électrochimiques”, a déclaré le premier auteur Scott Keene, du laboratoire Cavendish de Cambridge et de la division de génie électrique. “Le mouvement des trous, qui agissent comme des espaces vides dans lesquels les électrons peuvent se déplacer, peut être étonnamment inefficace lors de faibles niveaux de charge, provoquant des ralentissements inattendus.”

Les implications de ces découvertes sont considérables et offrent une voie prometteuse pour la recherche et le développement futurs dans le domaine des dispositifs électrochimiques pour des applications telles que la bioélectronique, le stockage d’énergie et l’informatique de type cérébral.

“Ce travail aborde un problème de longue date dans l’électronique organique en éclairant les étapes élémentaires qui ont lieu lors du dopage électrochimique des polymères conjugués et en soulignant le rôle de la structure de bande du polymère”, a déclaré George Malliaras, auteur principal de l’étude et Prince Philip Professeur de technologie à la Division de génie électrique du Département de génie.

“Avec une compréhension plus approfondie du processus de charge, nous pouvons désormais explorer de nouvelles possibilités dans la création d’appareils médicaux de pointe qui peuvent s’intégrer de manière transparente au corps humain, des technologies portables qui fournissent une surveillance de la santé en temps réel et de nouvelles solutions de stockage d’énergie avec efficacité accrue », a conclu le professeur Akshay Rao, co-auteur principal, également du laboratoire Cavendish de Cambridge.

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