Ett schema över P3HT-filmen, visar regioner som kan svälla subtilt för att släppa in jonmolekyler. Kredit:Rajiv Giridharagopal
Problemet är en grundläggande inkompatibilitet i kommunikationsstilar.
Den slutsatsen kan dyka upp under äktenskapsskillnadsförfarandet, eller beskriv en diplomatisk bråk. Men forskare som designar polymerer som kan överbrygga den biologiska och elektroniska klyftan måste också hantera inkompatibla meddelanden. Elektronik förlitar sig på racingströmmar av elektroner, men detsamma gäller inte för våra hjärnor.
"Det mesta av vår teknik är beroende av elektroniska strömmar, men biologi transducerar signaler med joner, som är laddade atomer eller molekyler, sa David Ginger, professor i kemi vid University of Washington och chefsforskare vid UW:s Clean Energy Institute. "Om du vill koppla ihop elektronik och biologi, du behöver ett material som effektivt kommunicerar över dessa två världar."
Ginger är huvudförfattare till en tidning som publicerades online den 19 juni Naturmaterial där UW-forskare direkt mätte en tunn film gjord av en enda typ av konjugerad polymer - en ledande plast - när den interagerade med joner och elektroner. De visar hur variationer i polymerlayouten gav stela och icke-styva områden av filmen, och att dessa regioner kunde rymma elektroner eller joner - men inte båda lika. Ju mjukare, icke-styva områden var dåliga elektronledare men kunde subtilt svälla för att ta in joner, medan motsatsen gällde för stela regioner.
Organiska halvledande polymerer är komplexa matriser gjorda av upprepade enheter av en kolrik molekyl. En organisk polymer som kan ta emot båda typerna av ledning – joner och elektroner – är nyckeln till att skapa nya biosensorer, flexibla bioelektroniska implantat och bättre batterier. Men skillnader i storlek och beteende mellan små elektroner och skrymmande joner har gjort detta till ingen lätt uppgift. Deras resultat visar hur kritisk polymersyntesen och layoutprocessen är för filmens elektroniska och joniska konduktansegenskaper. Deras resultat kan till och med peka på vägen framåt för att skapa polymerenheter som kan balansera kraven på elektronisk transport och jontransport.
Ett schema över den elektrokemiska stammikroskopiteknik som används för att mäta vilka regioner av P3HT-filmen som subtilt kunde svälla för att släppa in jonmolekyler. Kredit:Rajiv Giridharagopal
"Vi förstår nu designprinciperna för att göra polymerer som kan transportera både joner och elektroner mer effektivt, ", sa Ginger. "Vi demonstrerar till och med med mikroskopi hur man kan se platserna i dessa mjuka polymerfilmer där jonerna transporteras effektivt och var de inte är det."
Gingers team mätte de fysikaliska och elektrokemiska egenskaperna hos en film gjord av poly(3-hexyltiofen), eller P3HT, som är ett relativt vanligt organiskt halvledarmaterial. Huvudförfattare Rajiv Giridharagopal, en forskare vid UW Department of Chemistry, undersökte P3HT-filmens elektrokemiska egenskaper delvis genom att låna en teknik som ursprungligen utvecklades för att mäta elektroder i litiumjonbatterier.
Tillvägagångssättet, elektrokemisk stammikroskopi, använder en nålliknande sond upphängd av en mekanisk arm för att mäta förändringar i den fysiska storleken på ett föremål med precision på atomnivå. Giridharagopal upptäckte att, när en P3HT-film placerades i en jonlösning, vissa delar av filmen kan subtilt svälla för att låta joner flöda in i filmen.
Huvudförfattare Rajiv Giridharagopal, vänster, och medförfattare Lucas Flagg, höger, stående bredvid ett atomkraftmikroskop. Kredit:Dane deQuilettes
"Detta var en nästan omärklig svullnad - bara 1 procent av filmens totala tjocklek, " sa Giridharagopal. "Och med andra metoder, vi upptäckte att de områden av filmen som kunde svälla för att rymma joninträde också hade en mindre stel struktur och polymerarrangemang."
Mer stela och kristallina områden av filmen kunde inte svälla för att släppa in joner. Men de stela områdena var idealiska fläckar för att leda elektroner.
Ginger och hans team ville bekräfta att strukturella variationer i polymeren var orsaken till dessa variationer i filmens elektrokemiska egenskaper. Medförfattare Christine Luscombe, en UW docent i materialvetenskap och ingenjörskonst och medlem av Clean Energy Institute, och hennes team gjorde nya P3HT-filmer som hade olika styvhetsnivåer baserat på variationer i polymerarrangemang.
Genom att utsätta dessa nya filmer för samma uppsättning tester, Giridharagopal visade en tydlig korrelation mellan polymerarrangemang och elektrokemiska egenskaper. De mindre stela och mer amorfa polymerlayouterna gav filmer som kunde svälla för att släppa in joner, men var dåliga ledare av elektroner. Mer kristallina polymerarrangemang gav styvare filmer som lätt kunde leda elektroner. Dessa mätningar visar för första gången att små strukturella skillnader i hur organiska polymerer bearbetas och sätts samman kan få stora konsekvenser för hur filmen tar emot joner eller elektroner. Det kan också innebära att denna avvägning mellan behoven av joner och elektroner är oundviklig. Men dessa resultat ger Ginger hopp om att en annan lösning är möjlig.
"Konsekvensen av dessa fynd är att du kan tänkas bädda in ett kristallint material - som kan transportera elektroner - i ett material som är mer amorft och kan transportera joner, " sa Ginger. "Föreställ dig att du kunde utnyttja det bästa av två världar, så att du kan ha ett material som effektivt kan transportera elektroner och svälla med jonupptagning - och sedan koppla de två med varandra."
