For at forbinde biologi med elektronik, være stiv, alligevel fleksibel

Problemet er en grundlæggende uforenelighed i kommunikationsstile.

Den konklusion kan dukke op under skilsmissesag, eller beskriv en diplomatisk strid. Men forskere, der designer polymerer, der kan bygge bro over den biologiske og elektroniske kløft, skal også håndtere inkompatible meddelelsesstile. Elektronik er afhængig af racende strømme af elektroner, men det samme gælder ikke for vores hjerner.

"Det meste af vores teknologi er afhængig af elektroniske strømme, men biologi transducerer signaler med ioner, som er ladede atomer eller molekyler, " sagde David Ginger, professor i kemi ved University of Washington og chefforsker ved UW's Clean Energy Institute. "Hvis du vil forbinde elektronik og biologi, du har brug for et materiale, der effektivt kommunikerer på tværs af disse to riger."

Ginger er hovedforfatter på et papir offentliggjort online 19. juni i Naturmaterialer hvor UW-forskere direkte målte en tynd film lavet af en enkelt type konjugeret polymer - en ledende plastik - da den interagerede med ioner og elektroner. De viser, hvordan variationer i polymerlayoutet gav stive og ikke-stive områder af filmen, og at disse regioner kunne rumme elektroner eller ioner - men ikke begge lige meget. Jo blødere, ikke-stive områder var dårlige elektronledere, men kunne subtilt svulme op for at optage ioner, mens det modsatte var tilfældet for stive områder.

Organiske halvledende polymerer er komplekse matricer lavet af gentagne enheder af et kulstofrigt molekyle. En organisk polymer, der kan rumme begge typer ledning - ion og elektroner - er nøglen til at skabe nye biosensorer, fleksible bioelektroniske implantater og bedre batterier. Men forskelle i størrelse og adfærd mellem små elektroner og voluminøse ioner har gjort dette til ingen nem opgave. Deres resultater viser, hvor kritisk polymersyntese- og layoutprocessen er for filmens elektroniske og ioniske konduktansegenskaber. Deres resultater kan endda pege på vejen frem til at skabe polymerenheder, der kan balancere kravene til elektronisk transport og iontransport.

"Vi forstår nu designprincipperne for at lave polymerer, der kan transportere både ioner og elektroner mere effektivt, " sagde Ginger. "Vi demonstrerer endda ved mikroskopi, hvordan man kan se placeringerne i disse bløde polymerfilm, hvor ionerne transporteres effektivt, og hvor de ikke er."

Gingers hold målte de fysiske og elektrokemiske egenskaber af en film lavet af poly(3-hexylthiophen), eller P3HT, som er et relativt almindeligt organisk halvledermateriale. Hovedforfatter Rajiv Giridharagopal, en forsker i UW Department of Chemistry, undersøgte P3HT-filmens elektrokemiske egenskaber til dels ved at låne en teknik, der oprindeligt er udviklet til at måle elektroder i lithium-ion-batterier.

Tilgangen, elektrokemisk stammemikroskopi, bruger en nålelignende sonde ophængt af en mekanisk arm til at måle ændringer i den fysiske størrelse af et objekt med præcision på atomniveau. Giridharagopal opdagede, at når en P3HT-film blev anbragt i en ionopløsning, visse områder af filmen kunne subtilt svulme op for at lade ioner strømme ind i filmen.

"Dette var en næsten umærkelig hævelse - kun 1 procent af filmens samlede tykkelse, " sagde Giridharagopal. "Og ved at bruge andre metoder, vi opdagede, at de områder af filmen, der kunne svulme op for at rumme ionindtrængning, også havde en mindre stiv struktur og polymerarrangement."

Mere stive og krystallinske områder af filmen kunne ikke svulme op og lukke ioner ind. Men de stive områder var ideelle pletter til at lede elektroner.

Ginger og hans team ønskede at bekræfte, at strukturelle variationer i polymeren var årsagen til disse variationer i filmens elektrokemiske egenskaber. Medforfatter Christine Luscombe, en UW lektor i materialevidenskab og teknik og medlem af Clean Energy Institute, og hendes team lavede nye P3HT-film, der havde forskellige niveauer af stivhed baseret på variationer i polymerarrangementet.

Ved at udsætte disse nye film for den samme række af tests, Giridharagopal viste en klar sammenhæng mellem polymerarrangement og elektrokemiske egenskaber. De mindre stive og mere amorfe polymerlayouts gav film, der kunne svulme op og lukke ioner ind, men var dårlige ledere af elektroner. Mere krystallinske polymerarrangementer gav mere stive film, der nemt kunne lede elektroner. Disse målinger viser for første gang, at små strukturelle forskelle i, hvordan organiske polymerer bearbejdes og samles, kan have store konsekvenser for, hvordan filmen optager ioner eller elektroner. Det kan også betyde, at denne afvejning mellem behovene for ion og elektroner er uundgåelig. Men disse resultater giver Ginger håb om, at en anden løsning er mulig.

"Betydningen af ​​disse fund er, at du kunne tænkes at indlejre et krystallinsk materiale - som kunne transportere elektroner - i et materiale, der er mere amorft og kunne transportere ioner, " sagde Ginger. "Forestil dig, at du kunne udnytte det bedste fra begge verdener, så du kunne have et materiale, der effektivt kan transportere elektroner og svulme med ionoptagelse - og derefter koble de to med hinanden."