英国基础科学研究又有重大发现，或将改变电化学领域的发展方向。在观察共轭聚合物的充电过程时，剑桥大学研究人员意外发现了一个令人惊讶的现象，离子竟然比电子还跑得快，或将为生物电子学、类脑计算和能源存储等领域，开辟具有广阔前景的新应用。我们甚至还可以遐想一下，未来具有这种性能的材料，或许能够帮助人类大脑和神经系统无缝接入计算机，增强智力和身体功能，最终成为拥有强大能力的生化人，完成从智人到“智神”的嬗变。 你可能会说，哇！太好了，我最不喜欢的就是动脑筋了，这下好了，以后大脑集成电脑后，抠脑壳的事儿就交给计算机了，我就负责娱乐至死和貌美如花了。你这想法很合我的口味儿啊，不过在把自己改装成赛博格之前，我们还是要先动动脑筋，看看这究竟是怎么一回事儿，不要变成邪恶生化人了。
首先我们要从电化学说起，所谓电化学，是研究电能和化学能之间相互转换及作用的科学，最早是在1771年，意大利生理学家、解剖学家路易吉·伽伐尼发现蛙腿肌肉接触金属刀片时会发生痉挛，提出了生物中存在“神经电流物质”的观点，首次在化学反应与电流之间架起了一座桥梁，标志着电化学和电生理学的诞生。 之后伏打研究电解和电池，奠定了电化学的基础。19世纪中叶，法拉第建立了电化学的理论体系。 
进入20世纪后，电化学理论和应用得到了蓬勃发展，包括离子选择性电极的发明、电化学阻抗技术的发展、扫描隧道显微技术的应用、锂离子电池的发明等，没错，就是我们现在手机、电动车上广泛使用的那玩意儿，让电化学技术在电力化学、电解冶金，电池、传感器、电镀等领域得到了广泛应用。 而现在，随着理论的深入和技术的发展，电化学领域更加活跃，莺歌燕舞，正在向生物电化学、纳米电化学等前沿方向突飞猛进，开拓更多的应用前景。 你发现没有？从上面我介绍的电化学发展简史，你就不难总结出，电化学最初是从发现青蛙肌肉神经电信号开始的，之后逐步发展到生命之外，也就是我们日常生活中的各种应用，包括电解冶金、电池、太阳能电池、传感器等。 而现在，在理解了电化学的最深层微观机理后，科学家们又回到最初的源头，只是这次不是蛙腿，而是人体了，开始研究可作用于人体的生物电化学及纳米电化学，用于监测或治疗疾病，甚至刺激大脑或神经系统，增强人类智力和身体功能等。 这些研究最终可能会和现在日渐兴起的，人工智能、机器人等领域结合起来，将人类和计算机融为一体，增强人类的各种能力，甚至在未来可能形成一种新人类，虽然我们现在的人类可能并不情愿，但历史的车轮总是滚滚向前，碾碎了无数的不情愿。比如所有人都不情愿死，但历史已碾碎了此前已经死去的所有人的不情愿，而我们现在还活着的这些人的不情愿，可能就只有寄托在这类研究所带来的希望上了。
所有这一切的关键，就是要开发更好的电化学器件，让我们的零件和思想不断升级换代，用更强的装备来打人生中无穷无尽，蜂拥而来的怪。而剑桥大学的这项研究，发现就是提高电化学器件性能的关键，这将为创造更尖端材料打开大门，有可能重塑电化学领域格局，并为能源存储、类脑计算和生物电子学等领域的发展铺平道路。 大脑和电脑相连，并不是插几根电线到你脑袋里那么简单，而是要连接后，把你体内产生的生物电信号，比如大脑和神经系统中产生的信号，和电子设备之间实现信号转换，而这些信号，在人体中是由离子来携带和传输的，因此就需要一种能够同时传导离子和电子的材料。共轭聚合物就是这样一种材料，它可以无缝地耦合离子和电子，从而实现信号转换。 共轭聚合物由两种或更多单体聚合而成，具有一维的带状电子结构，并表现出半导体特性。这些材料可以通过电子的激发或弛豫来吸收和发射光子，从而在光电领域有着广泛的应用。共轭聚合物的优势在于其生物相容性、高功能性、低成本和可调节的光物理性质。 这其中特别要说的是生物相容性，这点相信你不难理解，要把一根铁丝插进你大脑，没两天就生锈了，然后脑子也坏掉了，你也就洗白了。 共轭聚合物之所以具有较高的生物相容性，主要有以下几个方面的原因： 共轭聚合物是由含有共轭体系的单体，或结构单元聚合而成的生物大分子，与人体内的蛋白质、核酸、多糖等，具有相似的结构和性质，可以与生物体形成良好的界面和联系。 共轭聚合物具有较低的细胞毒性和免疫原性，不会对生物体造成明显的损伤或刺激，也不会引起过敏或排斥反应。 共轭聚合物具有较高的可降解性和可吸收性，它们可以在生物体内经过水解、氧化或酶催化等方式，逐渐分解为小分子或无机盐，从而被排出或吸收，不会在生物体内积累或堆积。 共轭聚合物具有很多重要应用。 比如聚吡咯可以制成纳米粒子，携带多巴胺进入大脑后释放，用于帕金森病的治疗； 聚噻吩衍生物/金属氧化物的复合材料，可以作为酒精传感器中的电极材料，与酒精发生氧化还原反应后产生电流信号，来测出酒驾者的酒精含量； 聚芴可用于光动力治疗癌症，因为它对荧光信号敏感，可以作为光敏剂在癌细胞中积累，在特定波长光照下会发出荧光信号，并产生大量活性氧，从而实现对癌细胞的定位和杀灭； 聚吡咯胺可以作为一种基因载体，与DNA形成稳定的复合物，并通过电荷相互作用和静电吸引等机制进入肿瘤细胞，用外源基因修复或替代异常基因，从而实现对肿瘤细胞的转染和表达。 正是因为共轭聚合物具有较高的功能性和可调节性，所以可以通过改变它们的分子结构、掺杂剂、外加电压等因素，来调节其导电性、光电性、磁性等特性，从而实现与生物信号之间的有效转换和匹配，以实现更强大的功能，甚至很多你都根本没有听说过。
剑桥大学的科学家们，正是在研究共轭聚合物的功能和可调节性时，意外发现离子的速度竟然可以比电子快的。此前离子速度比电子慢，几乎被认为是天经地义，无需置疑。 这个很好理解，简单来说，电化学研究的就是电子和离子在物质中的运动，我们制造的电化学器件的性能，也取决于电子和离子的运动速度，此前的传统认知是，由于离子比电子重得多，因而它们的运动远慢于电子。你要说一个500斤大胖子跑得比50公斤瘦子快，绝对没人相信，也压根儿不会有人这样想。 剑桥大学的研究人员用一种特殊的显微镜，来实时观察共轭聚合物电极的充电过程，即在外加电压作用下，共轭聚合物中电子和离子的迁移和转移，从而改变其氧化还原状态和电荷密度。结果发现，在充电水平较低时，空穴的移动效率很低，导致充电过程比预期慢得多，也就是说在这种特定材料中，离子的传导速度比电子更快，再换句话说，限制充电速度的因素并不是离子，而是“空穴”，这与常识完全相悖！ 
是不是让你想起了前段时间火爆全球的韩国室温超导LK-99？这项研究也是在特定材料中，发现了一种此前认为不可能的现象，并可能重塑整个领域格局。 这是怎么回事呢？原来在共轭聚合物电极中，充电过程是由离子和空穴共同参与的。离子是指在电解质溶液中，能够带电移动的原子或分子，空穴是指在共轭聚合物中，能够带正电移动的电子空位，这是因为电子在原子外围，可以在不同能级间跃迁，见多识广，见异思迁，溜走之后，就会在原来位置留下一个缺少电子的状态，相当于带正电的空位，因此就叫空穴。 空穴可以被周围的电子填补，同时在新的位置产生一个新的空穴，看起来就像是空穴在移动一样，这种移动也会导致电流的产生，所以空穴也是一种载流子。说起来很复杂，其实很简单，一言以蔽之，我们不妨简单地理解为，电流是电子的移动，也是空穴的反向移动。 离子传导速度比电子快！这一惊人的意外发现让科学家们极为惊喜，然而更为惊喜的是，研究人员还发现，通过操纵材料的微观结构，可以调节充电过程中空穴的移动速度，从而可以设计出性能更好的共轭聚合物，实现更快、更高效的充电过程。 这一重大发现对电化学领域的影响可能极为深远，将极大地促进生物电子学、类脑计算，和能量存储等领域的发展，眼前可以看到的，就有创建可与人体无缝集成的尖端医疗设备，提供实时健康监测的可穿戴技术，以及新能源存储解决方案等。我能想象的还有马斯克神经蕾丝（Neuralink）的植入式脑机接口，以及绕开损坏的神经系统让瘫痪病人重新恢复行走的技术等等，可能都需要这种功能更强，与人体相容性更好的共轭聚合物参与。 而畅想未来，说得更远的话，这些共轭聚合物或未来发现的其他新材料，可以作为连接无机智能与有机智能的桥梁，让人类和人工智能、机器无缝结合，真正像尤瓦尔·赫拉利《人类简史》中所说，完成从智人到“智神”的嬗变！ 这项研究发表在7月6日《自然-材料》杂志上。 （个人观点，仅供参考。） 参考：https://www./articles/s41563-023-01601-5 |
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来自： 郑飞3bbr5o1bk2 > 《2303》
