美国研究人员利用纳米科学打破了一项速度纪录，由此可能带来一系列新进展，包括改进电池充电、生物传感、软机器人和神经形态计算。据外媒报道，华盛顿州立大学（Washington State University）和劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人员发现了一种方法，可以让离子在混合有机离子电子导体中的移动速度提高十倍以上。这些导体结合了许多生物系统（包括人体）使用的离子信号和计算机使用的电子信号的优点。

（图片来源：华盛顿州立大学）

这一新进展利用分子吸引离子并将其集中到单独的纳米通道中，从而创建微型“离子高速公路”，加速这些导体中的离子运动。华盛顿州立大学物理研究人员Brian Collins表示：“这能够以前所未有的方式控制这些生命体一直在使用的信号，非常有效。这种加速现象还可能有益于能量储存，从而产生巨大的影响。”

这些类型的导体富有潜力，因为它们允许离子和电子同时移动，对于电池充电和储能十分重要。它们还为结合生物和电子机制的技术提供动力，例如神经形态计算（尝试模拟人类大脑和神经系统的思维模式）。然而，这些导体究竟如何协调离子和电子运动尚不明了。作为这项研究的一部分，研究人员观察到离子在导体内的移动相对缓慢。由于它们协调运动，缓慢的离子运动也使电流放缓。Collins表示：“我们发现离子可以在导体中正常流动，但它们必须通过这个矩阵，这些就像老鼠窝般的管道可以让电子流动。这会放慢离子的速度。”

为了解决这个问题，研究人员仅为离子创建纳米尺寸直通道。然后，它们需要吸引离子。为此，研究人员求助于生物学。所有的活细胞（包括人体内的细胞）都通过离子通道将化合物移入或移出细胞，所以该团队利用在细胞中发现的类似机制：亲水或厌水分子。

首先，研究人员使用亲水分子来排列通道，这些分子可以吸引溶解在水中的离子，也就是电解质。然后离子快速通过通道，其速度比它们单独通过水的速度快十倍以上。对于有记录的各种材料中的离子速度，这种离子运动创建了新的世界纪录。相反，当研究人员用疏水分子排列通道时，离子就会远离，而被迫穿过速度较慢的“老鼠窝”。该团队发现，化学反应可以改变分子对电解质的吸引力。这将打开和关闭离子高速公路，就像生物系统控制通过细胞壁的通道一样。

作为研究的一部分，该团队创建了一种传感器，可以快速检测通道附近的化学反应。因为这种反应能够打开或关闭离子高速公路，从而产生计算机可以读取的电脉冲。

Collins表示，这种纳米尺度检测能力有助于感知环境污染，或在身体和大脑中激活神经元，这是这项进展的许多潜在用途之一。“下一步是真正学习如何控制离子运动的所有基本机制，并以不同方式将这种新现象引入技术中。”