有機混合離子電子導體（簡稱 OMIEC）是新一代電池和電子設備中最有前途的材料之一。這些柔軟、靈活的聚合物半導體具有良好的電化學性能，但人們對它們的分子微觀結構以及電子如何在其中移動知之甚少——這是將 OMIEC 推向市場需要解決的重要知識缺口。

為了填補這一空白，史丹佛大學的材料科學家最近採用了一種特殊的電子顯微技術它與所謂的「光束敏感」軟材料（例如生物分子）配合使用，可以更清楚地了解 OMIEC 的結構內部工作原理以及為何它們具有如此有利的電化學特性。

就像汽車電池中的水一樣，液體電解質注入 OMIEC 聚合物層之間。這電解質是離子在正極和負極之間移動並產生電流的介質。

「當 OMIEC 聚合物浸入液體電解質中時，它們會像手風琴一樣膨脹，但仍保持電子功能。我們了解到，聚合物材料的長分子鏈能夠拉伸並輕輕彎曲，形成連續的路徑，即使在該材料在電解液中膨脹300%，」工程學院Hong Seh 和Vivian W. M. Lim 教授、該研究的資深作者Alberto Salleo 說。紙出現在日記中的自然材料。

Salleo 實驗室的博士後學者Yael Tsarfati 表示：「這項研究代表了這些材料微觀結構視覺化方面的概念性突破。以前我們只能進行理論分析，現在我們可以看到正在發生的事情，讓OMIEC 運作得如此出色。“了解材料在結構層面上的工作原理是設計更好材料的關鍵。”

難以捉摸的過程

Salleo 和 Tsarfati 已經為這項研究工作了三年。他們率先使用冷凍電子顯微鏡 (Cryo 4D-STEM) 對浸泡在水性電解質中且帶有電荷的 OMIEC 聚合物進行成像。這種類型的顯微鏡使用強大的電子束（而不是光）來成像，並且要求樣品非常冷，以防止電子對材料造成損壞。

薩萊奧說，浸泡和帶電的雙重應力導致聚合物結構以複雜但重要的方式改變。可視化如何在這些壓力下保持聚合物的性能是引起業界關注的一個謎。但用傳統電子顯微鏡對這些聚合物進行成像一直是個挑戰。

如果 OMIEC 是固體半導體，研究人員會很快轉向電子顯微鏡研究它們的晶體結構。但 OMIEC 非常柔軟，以至於在觀察過程中用於照亮其內部結構的強大電子束會損壞它們。

使用這種新穎的顯微鏡技術，Salleo 和 Tsarfati 現在可以看到柔軟的可延展聚合物在膨脹時如何保持其結構完整性。團隊現在認為，OMIEC 的軟液晶聚合物結構可以拉伸和彎曲，從而在聚合物折疊帶之間形成的電解質氣泡周圍形成連續的電子路徑。

觸感柔軟

Cryo 4D-STEM 本質上是在研究時凍結材料。電解質不會變成固體，因為水會變成冰。相反，它進入了不同的玻璃化狀態，使薩萊奧和團隊能夠看到運作中的微觀結構。

「聚合物形成一種可以彎曲和拉伸的凝膠，」薩萊奧解釋道。“它可以膨脹很多，有時 300%，這會完全破壞大多數材料的電子特性。但在 OMIEC 中，電子特性仍然保留。”

查法蒂指出，一旦腫脹，聚合物鏈即使在充電和放電過程中，結構變化也很小。這可以實現更有效率的離子交換，同時對材料本身的壓力最小，從電子角度來看，OMIEC 具有吸引力。

Tsarfati 補充說：「與我們研究過的其他材料相比，這些聚合物對物理變化和離子插入表現出令人印象深刻的彈性，這是未來電子產品的理想特性。」他指出了該團隊研究的新方向。