_ Tranzistoare electrochimice organice: oamenii de știință rezolvă mister chimic la interfața dintre biologie și tehnologie

Cercetătorii care doresc să reducă diviziunea dintre biologie și tehnologie petrec mult timp gândindu-se la traducerea între cele două „limbi” diferite ale acelor tărâmuri.

„Tehnologia noastră digitală funcționează printr-o serie de întrerupătoare electronice pornit-oprit care controlează fluxul de curent și tensiune”, a declarat Rajiv Giridharagopal, cercetător la Universitatea din Washington. „Dar corpurile noastre funcționează pe baza chimiei. În creierul nostru, neuronii propagă semnale electrochimic, prin mișcarea ionilor – atomi sau molecule încărcate – nu electroni.”

Dispozitivele implantabile de la stimulatoare cardiace la monitoare de glucoză se bazează pe componente care pot vorbi ambele limbi și să reducă această decalaj. Printre aceste componente se numără OECT-uri sau tranzistori electrochimici organici, care permit curentului să circule în dispozitive precum biosenzorii implantabili. Dar oamenii de știință știau de mult despre o ciudată a OECT-urilor pe care nimeni nu o putea explica: atunci când un OECT este pornit, există o întârziere înainte ca curentul să atingă nivelul operațional dorit. Când este oprit, nu există întârziere. Actualul scade aproape imediat.

Un studiu condus de UW a rezolvat acest mister întârziat și, în acest proces, a deschis calea către OECT-uri personalizate pentru o listă tot mai mare de aplicații în biosensing, calcul inspirat de creier și nu numai .

„Cât de repede poți comuta un tranzistor este important pentru aproape orice aplicație”, a spus liderul de proiect David Ginger, profesor de chimie UW, om de știință șef la Institutul pentru Energie Curată UW și membru al facultății în UW. Institutul de Inginerie și Științe Moleculare. „Oamenii de știință au recunoscut comportamentul neobișnuit de comutare al OECT-urilor, dar nu i-am știut niciodată cauza – până acum.”

Într-o lucrare publicată în Nature Materials, echipa lui Ginger de la UW – împreună cu profesorul Christine Luscombe de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa din Japonia și profesorul Chang-Zhi Li de la Universitatea Zhejiang din China - raportează că OECT-urile se activează printr-un proces în doi pași, ceea ce provoacă decalajul. Dar par să se oprească printr-un proces mai simplu într-un singur pas.

În principiu, OECT-urile funcționează ca tranzistoarele din electronică: atunci când sunt pornite, permit fluxul de curent electric. Când sunt oprite, îl blochează. Dar OECT-urile funcționează prin cuplarea fluxului de ioni cu fluxul de electroni, ceea ce le face rute interesante pentru interfața cu chimia și biologia.

Noul studiu luminează cei doi pași prin care parcurg OECT-urile atunci când sunt pornite. În primul rând, un front de undă de ioni trece prin tranzistor. Apoi, mai multe particule purtătoare de sarcină invadează structura flexibilă a tranzistorului, determinând-o să se umfle ușor și aducând curentul la niveluri operaționale. În schimb, echipa a descoperit că dezactivarea este un proces într-un singur pas: nivelurile de substanțe chimice încărcate pur și simplu scad uniform pe tranzistor, întrerupând rapid fluxul de curent.

Cunoașterea cauzei decalajului ar trebui să ajute oamenii de știință să proiecteze noi generații. de OECT pentru un set mai larg de aplicații.

„Întotdeauna a existat acest impuls în dezvoltarea tehnologiei de a face componente mai rapide, mai fiabile și mai eficiente”, a spus Ginger. „Cu toate acestea, „regulile” pentru modul în care se comportă OECT nu au fost bine înțelese. O forță motrice în această activitate este de a le învăța și de a le aplica eforturilor viitoare de cercetare și dezvoltare.

Fie că se află în dispozitive pentru măsurarea glucozei din sânge sau a activității creierului, OECT-urile sunt în mare parte alcătuite din polimeri semiconductori organici flexibili - unități repetate de compuși complecși, bogati în carbon - și funcționează imersat în lichide care conțin săruri și alte substanțe chimice. Pentru acest proiect, echipa a studiat OECT-urile care își schimbă culoarea ca răspuns la sarcina electrică. Materialele polimerice au fost sintetizate de echipa lui Luscombe de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa și Li de la Universitatea Zhejiang, și apoi transformate în tranzistori de studenții doctoranzi UW Jiajie Guo și Shinya „Emerson” Chen, care sunt co-autori principali ai lucrării.

„O provocare în proiectarea materialelor pentru OECT-uri constă în crearea unei substanțe care facilitează transportul eficient al ionilor și păstrează conductivitatea electronică”, a spus Luscombe, care este, de asemenea, profesor afiliat la UW de chimie și de știința și ingineria materialelor. . „Transportul ionic necesită un material flexibil, în timp ce asigurarea unei conductivitati electronice ridicate necesită de obicei o structură mai rigidă, punând o dilemă în dezvoltarea unor astfel de materiale.”

Guo și Chen au observat la microscop – și au înregistrat cu o cameră pentru smartphone - exact ce se întâmplă atunci când OECT-urile personalizate sunt pornite și oprite. Acesta a arătat clar că un proces chimic în două etape se află în centrul decalajului de activare a OECT.

Cercetările anterioare, inclusiv ale grupului lui Ginger de la UW, au demonstrat că structura polimerului, în special flexibilitatea sa, este importantă pentru cum funcționează OECT-urile. Aceste dispozitive funcționează în medii pline cu fluide care conțin săruri chimice și alți compuși biologici, care sunt mai voluminoase în comparație cu suporturile electronice ale dispozitivelor noastre digitale.

Noul studiu merge mai departe, legând mai direct structura și performanța OECT. . Echipa a descoperit că gradul de întârziere de activare ar trebui să varieze în funcție de materialul din care este făcut OECT, cum ar fi dacă polimerii săi sunt mai ordonați sau aranjați mai aleatoriu, potrivit Giridharagopal. Cercetările viitoare ar putea explora cum să reduceți sau să prelungiți timpii de întârziere, care pentru OECT din studiul actual au fost fracțiuni de secundă.

„În funcție de tipul de dispozitiv pe care încercați să îl construiți, puteți personaliza compoziție, fluid, săruri, purtători de sarcină și alți parametri pentru a se potrivi nevoilor dvs.”, a spus Giridharagopal.

OECT-urile nu sunt folosite doar în biosensing. Ele sunt, de asemenea, folosite pentru a studia impulsurile nervoase din mușchi, precum și formele de calcul pentru a crea rețele neuronale artificiale și pentru a înțelege modul în care creierul nostru stochează și recuperează informații. Aceste aplicații larg divergente necesită construirea de noi generații de OECT-uri cu caracteristici specializate, inclusiv timpi de accelerare și declinare, potrivit Ginger.

„Acum, că învățăm pașii necesari pentru realizarea acestor aplicații, dezvoltarea poate accelera cu adevărat”, a spus Ginger.

Guo este acum cercetător postdoctoral la Lawrence Berkeley National Laboratory, iar Chen este acum om de știință la Analog Devices. Alți co-autori ai lucrării sunt Connor Bischak, un fost cercetător postdoctoral în chimie UW, care este acum profesor asistent la Universitatea din Utah; Jonathan Onorato, absolvent de doctorat UW și om de știință la Exponent; și Kangrong Yan și Ziqui Shen de la Universitatea Zhejiang.

(Fluierul)