有机混合离子电子导体（简称 OMIEC）是下一代电池和电子设备中最有前途的材料之一。这些柔软、灵活的聚合物半导体具有良好的电化学性能，但人们对它们的分子微观结构以及电子如何在其中移动知之甚少——这是将 OMIEC 推向市场需要解决的一个重要知识缺口。

为了填补这一空白，斯坦福大学的材料科学家最近采用了一种特殊的电子显微技术它与所谓的“光束敏感”软材料（例如生物分子）配合使用，可以更清楚地了解 OMIEC 的结构内部工作原理以及它们为何具有如此有利的电化学特性。

就像汽车电池中的水一样，液体电解质注入 OMIEC 聚合物层之间。这电解质是离子在正极和负极之间移动并产生电流的介质。

“当 OMIEC 聚合物浸入液体电解质中时，它们会像手风琴一样膨胀，但仍保持电子功能。我们了解到，聚合物材料的长分子链能够拉伸并轻轻弯曲，形成连续的路径，即使在该材料在电解液中膨胀 300%，”工程学院 Hong Seh 和 Vivian W. M. Lim 教授、该研究的资深作者 Alberto Salleo 说道。纸出现在日记中的自然材料。

Salleo 实验室的博士后学者 Yael Tsarfati 表示：“这项研究代表了这些材料微观结构可视化方面的概念性突破。以前我们只能进行理论分析，现在我们可以看到正在发生的事情，使 OMIEC 工作得如此出色。”该论文的作者进行了大部分电子显微镜观察。“了解材料在结构层面上的工作原理是设计更好材料的关键。”

难以捉摸的过程

Salleo 和 Tsarfati 已经为这项研究工作了三年。他们率先使用冷冻电子显微镜 (Cryo 4D-STEM) 对浸泡在水性电解质中且带有电荷的 OMIEC 聚合物进行成像。这种类型的显微镜使用强大的电子束（而不是光）来成像，并且要求样品非常冷，以防止电子对材料造成损坏。

萨莱奥说，浸泡和带电的双重应力导致聚合物结构以复杂但重要的方式发生变化。可视化如何在这些压力下保持聚合物的性能是引起业界关注的一个谜。但用传统电子显微镜对这些聚合物进行成像一直是一个挑战。

如果 OMIEC 是固体半导体，研究人员会很快转向电子显微镜研究它们的晶体结构。但 OMIEC 非常柔软，以至于在观察过程中用于照亮其内部结构的强大电子束会损坏它们。

使用这种新颖的显微镜技术，Salleo 和 Tsarfati 现在可以看到柔软的可延展聚合物在膨胀时如何保持其结构完整性。该团队现在认为，OMIEC 的软液晶聚合物结构可以拉伸和弯曲，从而在聚合物折叠带之间形成的电解质气泡周围形成连续的电子路径。

触感柔软

Cryo 4D-STEM 本质上是在研究时冻结材料。电解质不会变成固体，因为水会变成冰。相反，它进入了一种不同的玻璃化状态，使萨莱奥和团队能够看到运行中的微观结构。

“聚合物形成一种可以弯曲和拉伸的凝胶，”萨莱奥解释道。“它可以膨胀很多，有时 300%，这会完全破坏大多数材料的电子特性。但在 OMIEC 中，电子特性仍然保留。”

查法蒂指出，一旦肿胀，聚合物链即使在充电和放电过程中，结构变化也很小。这可以实现更高效的离子交换，同时对材料本身的压力最小，从电子角度来看，OMIEC 具有吸引力。

Tsarfati 补充道：“与我们研究过的其他材料相比，这些聚合物对物理变化和离子插入表现出令人印象深刻的弹性，这是未来电子产品的理想特性。”他指出了该团队研究的新方向。