Organiske elektrokemiske transistorer:Forskere løser kemiske mysterier i grænsefladen mellem biologi og teknologi

Forskere, der ønsker at bygge bro mellem biologi og teknologi, bruger meget tid på at tænke på at oversætte mellem de to forskellige "sprog" i disse riger.

"Vores digitale teknologi fungerer gennem en række elektroniske tænd-sluk-kontakter, der styrer strømmen af ​​strøm og spænding," sagde Rajiv Giridharagopal, en forsker ved University of Washington. "Men vores kroppe opererer på kemi. I vores hjerner udbreder neuroner signaler elektrokemisk ved at bevæge ioner - ladede atomer eller molekyler - ikke elektroner."

Implanterbare enheder fra pacemakere til glukosemonitorer er afhængige af komponenter, der kan tale begge sprog og bygge bro over dette hul. Blandt disse komponenter er OECT'er - eller organiske elektrokemiske transistorer - som tillader strøm at flyde i enheder som implanterbare biosensorer. Men forskerne vidste længe om et særpræg af OECT'er, som ingen kunne forklare:Når en OECT er tændt, er der en forsinkelse, før strømmen når det ønskede operationelle niveau. Når den er slukket, er der ingen forsinkelse. Strømmen falder næsten øjeblikkeligt.

En UW-ledet undersøgelse har løst dette haltende mysterium, og i processen banede vejen for skræddersyede OECT'er for en voksende liste af applikationer inden for biosensing, hjerneinspireret beregning og mere.

"Hvor hurtigt du kan skifte en transistor er vigtigt for næsten enhver applikation," sagde projektleder David Ginger, en UW professor i kemi, chefforsker ved UW Clean Energy Institute og fakultetsmedlem i UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Forskere har erkendt OECT'ers usædvanlige skiftadfærd, men vi kendte aldrig årsagen - indtil nu."

I et papir udgivet i Nature Materials , Gingers team på UW – sammen med professor Christine Luscombe ved Okinawa Institute of Science and Technology i Japan og professor Chang-Zhi Li ved Zhejiang University i Kina – rapporterer, at OECT'er tændes via en to-trins proces, som forårsager forsinkelsen . Men de ser ud til at slukke gennem en enklere et-trins proces.

I princippet fungerer OECT'er som transistorer i elektronik:Når de er tændt, tillader de strømmen af ​​elektrisk strøm. Når de er slukket, blokerer de den. Men OECT'er fungerer ved at koble strømmen af ​​ioner med strømmen af ​​elektroner, hvilket gør dem til interessante ruter til interfacing med kemi og biologi.

Den nye undersøgelse belyser de to trin, OECT'er gennemgår, når de er tændt. Først løber en bølgefront af ioner hen over transistoren. Derefter invaderer flere ladningsbærende partikler transistorens fleksible struktur, hvilket får den til at svulme lidt op og bringe strømmen op på operationelle niveauer. I modsætning hertil opdagede holdet, at deaktivering er en et-trins proces:Niveauer af ladede kemikalier falder ganske enkelt ensartet hen over transistoren, hvilket hurtigt afbryder strømmen.

At kende årsagen til forsinkelsen burde hjælpe videnskabsmænd med at designe nye generationer af OECT'er til et bredere sæt af applikationer.

"Der har altid været denne drivkraft i teknologiudvikling for at gøre komponenter hurtigere, mere pålidelige og mere effektive," sagde Ginger. "Alligevel er 'reglerne' for, hvordan OECT'er opfører sig, ikke blevet godt forstået. En drivkraft i dette arbejde er at lære dem og anvende dem til fremtidige forsknings- og udviklingsindsatser."

Uanset om de befinder sig i enheder til at måle blodsukker eller hjerneaktivitet, består OECT'er stort set af fleksible, organiske halvledende polymerer - gentagne enheder af komplekse, kulstofrige forbindelser - og fungerer nedsænket i væsker, der indeholder salte og andre kemikalier. Til dette projekt studerede holdet OECT'er, der skifter farve som reaktion på elektrisk ladning. Polymermaterialerne blev syntetiseret af Luscombes team ved Okinawa Institute of Science and Technology og Li's ved Zhejiang University, og derefter fremstillet til transistorer af UW doktorandstuderende Jiajie Guo og Shinya "Emerson" Chen, som er co-lead forfattere på papiret.

"En udfordring i materialedesignet til OECT'er ligger i at skabe et stof, der letter effektiv iontransport og bevarer elektronisk ledningsevne," sagde Luscombe, som også er en UW tilknyttet professor i kemi og i materialevidenskab og -teknik. "Iontransporten kræver et fleksibelt materiale, mens sikring af høj elektronisk ledningsevne typisk kræver en mere stiv struktur, hvilket udgør et dilemma i udviklingen af ​​sådanne materialer."

Guo og Chen observerede under et mikroskop - og optog med et smartphone-kamera - præcis, hvad der sker, når de specialbyggede OECT'er tændes og slukkes. Det viste tydeligt, at en to-trins kemisk proces ligger i hjertet af OECT-aktiveringsforsinkelsen.

Tidligere forskning, herunder af Gingers gruppe ved UW, viste, at polymerstruktur, især dens fleksibilitet, er vigtig for, hvordan OECT'er fungerer. Disse enheder fungerer i væskefyldte miljøer, der indeholder kemiske salte og andre biologiske forbindelser, som er mere omfangsrige sammenlignet med den elektroniske underbygning af vores digitale enheder.

Den nye undersøgelse går videre ved mere direkte at forbinde OECT-struktur og ydeevne. Holdet fandt, at graden af ​​aktiveringsforsinkelse skulle variere baseret på hvilket materiale OECT er lavet af, såsom om dets polymerer er mere ordnede eller mere tilfældigt arrangeret, ifølge Giridharagopal. Fremtidig forskning kunne undersøge, hvordan man kan reducere eller forlænge forsinkelsestiden, som for OECT'er i den aktuelle undersøgelse var brøkdele af et sekund.

"Afhængigt af den type enhed, du prøver at bygge, kan du skræddersy sammensætning, væske, salte, ladningsbærere og andre parametre, så de passer til dine behov," sagde Giridharagopal.

OECT'er bruges ikke kun i biosensing. De bruges også til at studere nerveimpulser i muskler, såvel som former for computing til at skabe kunstige neurale netværk og forstå, hvordan vores hjerner gemmer og henter information. Disse vidt forskellige applikationer nødvendiggør opbygning af nye generationer af OECT'er med specialiserede funktioner, herunder op- og nedstigningstider, ifølge Ginger.

"Nu hvor vi lærer de nødvendige trin for at realisere disse applikationer, kan udviklingen virkelig accelerere," sagde Ginger.

Guo er nu postdoc-forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, og Chen er nu videnskabsmand ved Analog Devices. Andre medforfattere på papiret er Connor Bischak, en tidligere UW postdoc forsker i kemi, som nu er assisterende professor ved University of Utah; Jonathan Onorato, en UW doktorgrad alun og videnskabsmand ved Exponent; og Kangrong Yan og Ziqui Shen fra Zhejiang University.

Flere oplysninger: Jiajie Guo et al., Forståelse af asymmetriske koblingstider i organiske elektrokemiske transistorer i akkumuleringstilstand, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01875-3

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of Washington