2025年12月23日
由牛津大學 Paul McGonigal 領導的國際科學家團隊創造了一類新型有機材料，能在液態、液晶態和固態下同樣有效地傳導離子。這一發現挑戰了長期存在的認知：液體結冰或結晶會不可避免地減慢離子的運動速度。
研究成果發表在頂尖期刊 Science 上。科學團隊的重要成員包括來自布拉格化工大學的 Jiří Šturala 和 Michal Kohout。
通常，當液體固化時，其分子會「凍結」，使離子運動變得更加困難，導致離子導電率急劇下降。但現在，科學家開發出一種稱為 狀態獨立電解質（state-independent electrolytes, SIEs） 的新材料，打破了這一規則。
研究團隊通過設計一類具有特定物理和電子性質的有機分子離子實現了突破。每個分子都有一個扁平的圓盤形核心，周圍包圍著長而柔性的側鏈——類似帶有柔軟刷毛的自行車。由於電子的運動，正電荷均勻分佈在整個分子中，防止其與帶負電的配對離子過於緊密結合。這使負離子能沿著側鏈自由移動，「流動」起來。
在固態中，這些有機離子自然堆疊，形成長而堅硬的柱狀結構，周圍被大量柔性「手臂」包圍——就像汽車洗車機中的靜態滾筒（見圖示）。儘管形成了有序結構，但柔性側鏈仍提供了足夠的自由空間，使負離子在固態中的運動和液態一樣自由，不會出現導電率的急劇下降。
「我們設計材料時希望離子能在這種靈活、自組裝的網絡中以有趣的方式運動。當我們測試時，驚訝地發現它們在液態、液晶態和固態下的行為完全一致。這是一個非常非凡的結果，而且我們能在多種不同離子上重現它。」
—— 研究主要作者，牛津大學 Paul McGonigal
這一發現可能催生新型靈活且安全的固態電解質，應用於電池、傳感器及電致變色設備。除了牛津大學的科學家外，研究還包括杜倫大學和約克大學的代表，以及來自葡萄牙、德國和布拉格化工大學的同事。
「九年前，我在 Paul McGonigal 團隊做博士後研究，當時我們研究環狀陽離子，並萌生了將它們作為液晶基礎的想法。那時我做了一些初步實驗，並與長期研究液晶的布拉格化工大學的 Michal Kohout 取得聯繫。後來我離開團隊回到布拉格化工大學，但項目繼續在我們的基礎上進行。」
—— Jiří Šturala，現任無機化學研究所
「如果沒有杜倫大學研究人員的熱情與決心，我們今天就不會有這個合作。我們的首次設計並不成功，也沒有目標物質表現出理想特性。最終分子的形態是在德國完成的——在一次比賽報告後的公車上，我、Jirka 和 Paul 討論了設計失效的原因。當時我建議將所有取代基排列在苯環相鄰位置。我希望（基於對其他物質非常原始的計算模型）分子能像扇子般折疊得更好。今天我們知道，扇子不會形成分子，但正是這種取代基的有利位置（「柔軟刷毛」）讓它們完美契合，形成有序結構。」
—— Michal Kohout，有機化學研究所
Source: https://vedavyzkum.cz/veda/veda/vedci-objevili-iontovou-vodivost-nezavislou-na-skupenstvi
