近日，由我室程俊教授团队主导联合嘉庚创新实验室 AI4EC Lab与云南大学及英国多所高校合作，在水合有机混合离子电子导体的微观结构研究方面取得进展。研究发展了一套通过离子调控的 QM/MM + GCMD 恒电势框架，揭示在工况下电化学掺杂如何改变有机混合离子电子导体（OMIECs）中聚合物内部水合离子补偿与分子交换的关系，并进一步理解其内部的构效关系。相关论文以“Beyond Swelling: Electrochemical Doping Tunes the Balance between Ion Compensation and Exchange in a Hydrated Organic Mixed Ionic−Electronic Conductor”为题发表于Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.6c19774）。有机混合离子电子导体能够耦合离子运动和电子传输，在生物传感、神经接口和有机电化学晶体管等领域具有应用潜力。随着充电增强，其载流子迁移率等性能可能出现先升后降的非单调变化。宏观溶胀能够反映整体结构响应，却难以分辨内部离子补偿、侧链水合和分子交换等过程分别发生了什么。

针对这一问题，研究团队开发了一套开创性的恒电势模拟框架，以半结晶乙二醇侧链聚噻吩 P(g3T2) 为模型，先通过储液平衡确定聚合物纳米通道的含水量和离子密度，再在恒电势模拟下更新聚合物链的电子电荷分布和反离子补偿。模型结合计算何频光盘（SFG）及实验 ²³Na、³⁵Cl 核磁共振（NMR）结果进行检验，并在恒电势模拟内选择平衡后的结构进行独立的经典动力学模拟研究水合离子交换动力学。

研究发现，电化学掺杂增强主要引起侧链内环境的选择性重组：侧链区环境逐步从 Na⁺ 主导转向 Cl⁻ 主导。在中间程度的聚合物电子掺杂状态下（对应实验上此材料器件最大的电子迁移率），长寿命 Na⁺—Cl⁻ 构型与较快交换的 Cl⁻ 离子形成共存；继续充电则分别出现Cl⁻离子过度补偿或Cl⁻离子过快交换而补偿不足的情况，从而导致器件电子迁移率的下降。

图: 不同掺杂态的聚合物—离子—水微观图景。低掺杂时 Na⁺ 主导侧链环境；中间掺杂态兼具持久配对和可快速交换 的Cl⁻；更高掺杂出现局域 Cl⁻ 滞留，最高研究掺杂态则呈现Cl⁻的更充分水合和过快交换。

上述分子图片为解释器件性能非单调变化提供了微观理论指导。研究并未直接建立局域结构与迁移率的唯一因果关系，而是提出同时考察离子补偿的持久性、水合结构与交换能力的分析思路。具体转变掺杂水平仍取决于聚合物、侧链、离子种类及形貌。

该工作将聚合物电化学研究从宏观尺寸变化进一步推进到微观局域结构与动力学的协同描述，也将电子充电、界面水结构和离子交换纳入同一研究流程，为含水有机混合导体的结构功能研究及材料设计提供了新的模拟方法框架及研究思路。

论文第一作者为化学化工学院特任副研魏子瑄博士，嘉庚创新实验室副研究员王锋、云南大学陈建华教授、我室汤富杰教授、程俊教授为共同通讯作者。该研究得到新一代人工智能国家科技重大专项（2026ZD0128501）、国家重点研发计划（2025YFA1511003）、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、教育部基础学科和交叉学科突破计划、厦门大学科研启动及校长基金、欧洲研究理事会等支持。计算工作使用嘉庚创新实验室超算中心资源。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c19774