Вчені розгадують таємницю електрохімічної біотехнології

Нове дослідження показало, що відставання, яке спостерігається в органічних електрохімічних транзисторах (OECT), коли їх увімкнено, пов’язано з двоетапним процесом активації, що дає важливу інформацію для розробки більш ефективних і настроюваних OECT для різних технологічних і біологічних застосувань. Дослідники, які хочуть подолати розрив між біологією та технологіями, витрачають багато часу на роздуми про переклад між двома різними «мовами» цих сфер.

«Наша цифрова технологія працює через низку електронних вимикачів, які контролюють потік струму та напруги», — сказав Раджив Гірідхарагопал, науковий співробітник Університету Вашингтона. «Але наші тіла працюють за допомогою хімії. У нашому мозку нейрони поширюють сигнали електрохімічно, переміщуючи іони — заряджені атоми чи молекули — а не електрони».

Пристрої для імплантації від кардіостимуляторів до моніторів глюкози покладаються на компоненти, які можуть розмовляти обома мовами та подолати цей розрив. Серед цих компонентів OECT — або органічні електрохімічні транзистори — які дозволяють струму протікати в пристроях, таких як імплантовані біосенсори. Але вчені давно знали про примху OECT, яку ніхто не міг пояснити: коли OECT увімкнено, виникає затримка, перш ніж струм досягає бажаного робочого рівня. У вимкненому стані затримки немає. Струм падає майже відразу.

Дослідження під керівництвом UW розгадало цю таємницю та в процесі проклало шлях до спеціально розроблених OECT для зростаючого списку застосувань у біосенсорі, обчисленнях, натхненних мозком тощо.

Прорив у розумінні роботи OECT

«Наскільки швидко ви можете перемикати транзистор, важливо майже для будь-якої програми», — сказав керівник проекту Девід Джинджер, професор хімії UW, головний науковий співробітник Інституту чистої енергії UW та викладач Інституту молекулярної інженерії та наук UW. «Вчені визнали незвичайну поведінку перемикання OECT, але ми ніколи не знали її причини — досі».

У статті, нещодавно опублікованій у Nature Materials, команда Джинджера з UW — разом із професором Крістін Ласкомб з Окінавського інституту науки і технологій в Японії та професором Чанг-Жі Лі з Чжецзянського університету в Китаї — повідомляють, що OECT вмикаються через два -ступінчастий процес, який викликає лаг. Але вони, здається, вимикаються через простіший одноетапний процес.

В принципі, OECT працюють як транзистори в електроніці: коли вони ввімкнені, вони пропускають електричний струм. У вимкненому стані вони блокують його. Але OECTs працюють, поєднуючи потік іонів з потоком електронів, що робить їх цікавими шляхами для взаємодії з хімією та біологією.

Нове дослідження висвітлює два етапи, через які проходять OECT після ввімкнення. По-перше, хвильовий фронт іонів проходить через транзистор. Потім більше частинок, що несуть заряд, вторгається в гнучку структуру транзистора, змушуючи його злегка набухати та доводячи струм до робочого рівня. Навпаки, команда виявила, що дезактивація є одноетапним процесом: рівні заряджених хімікатів просто рівномірно падають через транзистор, швидко перериваючи потік струму.

Знання причини відставання повинно допомогти вченим розробити нові покоління OECT для ширшого набору застосувань.

«У розвитку технологій завжди існувало прагнення зробити компоненти швидшими, надійнішими та ефективнішими», — сказав Джинджер. «Проте «правила» поведінки OECT ще недостатньо зрозумілі. Рушійною силою цієї роботи є вивчення їх і застосування в майбутніх дослідженнях і розробках».

Незалежно від того, чи знаходяться вони в пристроях для вимірювання рівня глюкози в крові чи активності мозку, OECT здебільшого складаються з гнучких органічних напівпровідникових полімерів — повторюваних одиниць складних багатих вуглецем сполук — і працюють у рідинах, що містять солі та інші хімічні речовини. Для цього проекту команда вивчила OECT, які змінюють колір у відповідь на електричний заряд. Полімерні матеріали були синтезовані командою Ласкомба в Окінавському науково-технічному інституті та Лі в Університеті Чжецзян, а потім виготовлені в транзистори докторантами UW Jiajie Guo та Shinya «Emerson» Chen, які є співавторами статті.

«Проблема розробки матеріалів для OECT полягає у створенні речовини, яка сприяє ефективному транспорту іонів і зберігає електронну провідність», — сказав Ласкомб, який також є афілійованим професором хімії, матеріалознавства та інженерії UW. «Для транспортування іонів потрібен гнучкий матеріал, тоді як забезпечення високої електронної провідності зазвичай вимагає більш жорсткої структури, що створює дилему при розробці таких матеріалів».

Гуо та Чен спостерігали під мікроскопом і записали на камеру смартфона, що саме відбувається, коли вмикаються та вимикаються виготовлені на замовлення OECT. Це чітко показало, що двоетапний хімічний процес лежить в основі затримки активації OECT.

Минулі дослідження, включно з групою Джинджера в UW, продемонстрували, що структура полімеру, особливо його гнучкість, важлива для функціонування OECT. Ці пристрої працюють у наповнених рідиною середовищах, що містять хімічні солі та інші біологічні сполуки, які є більш громіздкими порівняно з електронною базою наших цифрових пристроїв.

Майбутні напрямки та застосування

Нове дослідження йде далі, більш прямо пов’язуючи структуру та продуктивність OECT. За словами Гірідхарагопала, команда виявила, що ступінь затримки активації має змінюватися залежно від того, з якого матеріалу зроблений OECT, наприклад, чи його полімери більш упорядковані, чи більш випадково розташовані. Майбутні дослідження могли б дослідити, як зменшити або подовжити час затримки, який для OECT у поточному дослідженні становив частки секунди.

«Залежно від типу пристрою, який ви намагаєтесь створити, ви можете налаштувати склад, рідину, солі, носії заряду та інші параметри відповідно до ваших потреб», — сказав Гірідхарагопал.

OECT використовуються не лише для біосенсора. Вони також використовуються для вивчення нервових імпульсів у м’язах, а також форм обчислень для створення штучних нейронних мереж і розуміння того, як наш мозок зберігає та отримує інформацію. За словами Джінджера, ці дуже різноманітні програми вимагають створення нових поколінь OECT зі спеціальними функціями, включаючи час наростання та зниження.

«Тепер, коли ми вивчаємо кроки, необхідні для реалізації цих додатків, розробка може дійсно пришвидшитися», — сказав Джинджер.