阳离子—聚合物相互作用驱动水的排出与n型梯形有机混合导体的脱胀

这一收缩塑料为何重要

与生物组织通信、存储可再生能源或按需弯曲光线的电子器件，越来越依赖于既能传导离子又能传导电子的特殊塑料。本文探讨了这种塑料中一种令人惊讶的行为：在特定条件下，随着电荷增加它反而收缩并挤出水分。理解这一反直觉的现象有助于工程师设计更稳定的生物电子器件以及新型可调光学表面。

双重导电的塑料

大多数日常塑料是电绝缘体，但一类越来越重要的材料能够传导电子和带电原子（即离子）。这些混合导体是有机场效应电化学晶体管等器件的核心，后者用于医疗传感器、软执行器和能量存储。当它们在含盐水中工作时，液体中的离子会渗入聚合物并带入水分，导致材料膨胀。膨胀长期以来被视为这些器件工作所必需的一部分，但离子摄取、水分迁移与聚合物结构之间的详细关系仍不清晰。

带电时变瘦的聚合物

研究人员研究了一种知名的电子传导聚合物BBL，它具有刚性的梯形主链且无侧链。他们比较了BBL在含钠离子的溶液与含铵离子的溶液（后者可形成氢键）中的行为。使用灵敏的石英微天平和原子力显微镜在给材料施加电荷时进行测量，他们发现：在钠盐溶液中，随注入更多电荷聚合物仅是质量和厚度增加；而在铵盐溶液中，质量和厚度在较低充电时先上升，然后在更高充电水平突然下降，表明薄膜在继续摄取电荷的同时发生了脱胀。

排出的不是离子而是水

为确定从聚合物中离开的是什么，团队使用了原位重水（氘）核磁共振，该方法可以区分被困在有序聚合物区域内的重水与周围液体中的水。在铵盐溶液中的电化学循环过程中，被约束水的信号在低电荷时升高，但在更高电荷时大约下降了三分之一，几乎与质量和厚度的损失相吻合。在钠盐溶液中，被约束水的信号则保持平台状态而未下降。这些结果表明，在铵盐情况下，聚合物在高充电水平下排出了水，而不是排出离子。数据还暗示离子的水合层发生塌缩，使得离子仍留在薄膜中但携带的水分减少。

黏性离子如何改变电荷流动

进一步的测量探究了这些离子与聚合物主链的相互作用。红外光谱显示，与羰基和亚胺基相关的一个特征振动在铵盐溶液中于较低电压出现，早于钠盐溶液，这表明铵离子与BBL链之间存在强烈的氢键和部分质子化作用。太赫兹光谱显示，随着这种相互作用增强，电荷变得更局域化，其有效迁移率下降，从而解释了为何总体导电性随电荷增加先达到峰值然后下降。计算机模拟支持这一图景，显示铵离子比钠离子与聚合物形成更频繁、更强的接触，并表明这样的网络可促进链间水层的排出。

为更聪明的软电子器件设计提供思路

通过系统地将铵离子上的氢原子替换为甲基，作者表明只有能够形成氢键的离子才会引起相同的失水和收缩，并且这一效应的出现与每种离子供氢键能力的强弱相关联。这将离子—聚合物相互作用的微观化学与体积和导电性的宏观变化连接起来。研究结论是：在高电荷水平下，某些阳离子、水与聚合物主链之间的氢键网络驱动了水的排出与材料的脱胀。对于器件设计者来说，这意味着选择合适的离子可以稳定混合导电聚合物、控制其厚度，甚至调节其光学特性，从而为更耐用的生物界面到可重构的光学弯曲表面开辟道路。

引用: van der Pol, T.P.A., Lyu, D., Truyens, Z. et al. Cation–polymer interactions drive water expulsion and deswelling in n-type ladder organic mixed conductors. Nat. Mater. 25, 832–839 (2026). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02478-2

关键词: 有机混合导体, 离子-聚合物相互作用, 水的排出, 电化学掺杂, 生物电子材料