Vědci vytvořili novou rodinu organických materiálů, které si zachovávají vodivost i v pevném stavu

Za normálních okolností při přechodu kapaliny do pevného stavu dojde k „uzamčení" molekul na místě, což výrazně ztěžuje pohyb iontů a vede k prudkému poklesu iontové vodivosti. Nyní však vědci syntetizovali novou třídu materiálů, označovaných jako elektrolyty nezávislé na skupenství (state-independent electrolytes - SIEs), které toto pravidlo porušují.

Tým tohoto výsledku dosáhl návrhem nové třídy organických molekulárních iontů se specifickými fyzikálními a elektronovými vlastnostmi. Každá molekula má ploché, diskovité jádro obklopené dlouhými, flexibilními postranními řetězci – připomíná kolo s měkkými štětinami. Kladný náboj je díky pohybu elektronů rovnoměrně rozprostřen po celé molekule, což zabraňuje jejímu pevnému navázání na záporně nabitý protějšek. Díky tomu se záporné ionty mohou volně pohybovat a proudit podél postranních řetězců (těchto „měkkých štětin").

V pevném stavu se pak tyto organické ionty přirozeně vrství na sebe a vytvářejí dlouhé, tuhé sloupce obklopené množstvím flexibilních ramen – podobně jako statické kartáče v myčce automobilů (viz schéma v multimediální galerii). Přestože vzniká uspořádaná struktura, flexibilní postranní řetězce stále vytvářejí dostatek prostoru, aby se záporné ionty mohly pohybovat stejně volně jako v kapalině.

Výsledkem je dynamická uspořádaná struktura, která umožňuje záporně nabitým iontům pohybovat se v pevném stavu stejně snadno jako v kapalném, aniž by došlo k výraznému snížení iontové vodivosti.

Hlavní autor studie, profesor Paul McGonigal z Oxfordské univerzity, uvádí: „Tyto materiály jsme navrhovali s nadějí, že se ionty budou pohybovat flexibilní, samouspořádanou sítí zajímavým způsobem. Když jsme je testovali, byli jsme ohromeni zjištěním, že jejich chování zůstává nezměněné v kapalné, kapalně-krystalické i pevné fázi. Byl to skutečně mimořádný výsledek. Potěšující bylo, když jsme zjistili, že jej lze zopakovat s několika různými typy iontů."

Doktorandka Juliet Barclay, první autorka studie, dodává: „Pro doktoranda je nesmírně uspokojující objevit něco, co mění způsob, jakým přemýšlíme o fungování materiálů. Ukázali jsme, že organické materiály lze navrhnout tak, aby se pohyb iontů při tuhnutí materiálu ‚nezastavil'. To otevírá nové možnosti pro bezpečná, lehká zařízení v pevném stavu, která mohou efektivně fungovat v širokém teplotním rozmezí."

Na výzkumu se podíleli vědci z univerzit v Oxfordu, Yorku, Leedsu a Durhamu ve spolupráci s partnery z Portugalska, Německa a České republiky.

Tento objev by mohl vést ke vzniku nových tříd flexibilních a bezpečných pevných elektrolytů. Jedním z možných způsobů využití je aplikace elektrolytu do zařízení v kapalné formě při mírně zvýšené teplotě, což by umožnilo dobrý kontakt s elektrodami, a následné ochlazení na pokojovou teplotu, při němž materiál ztuhne do bezpečné pevné formy bez ztráty iontové vodivosti.

Vzniklé pevné elektrolyty mají potenciální využití v bateriích, senzorech a elektrochromních zařízeních, kde jsou organické pevné látky obecně výhodné oproti anorganickým materiálům díky své nízké hmotnosti, flexibilním mechanickým vlastnostem a možnosti jejich obnovitelného získávání.

Výzkumný tým z Oxfordu nyní pracuje na dalším zvýšení vodivosti a všestrannosti těchto materiálů a také na jejich využití v elektronických zařízeních pro výpočetní techniku.