Ingenjörer vid University of Arizona har experimentellt verifierat de elektrokemiska processerna som styr laddningsöverföringshastigheten från en organisk polymer till en biomarkörmolekyl, använda vanliga material och mättekniker för att göra deras resultat allmänt tillgängliga och reproducerbara.

Deras resultat, redovisas i Naturkommunikation , kommer att främja området organisk bioelektronik, särskilt inom medicin, och har tillämpningar för energilagringsteknik, som batterier och bränsleceller.

En naturlig utmaning

Elektronöverföringsreaktioner är grundläggande processer inom biologi, kemi, fysik och teknik där en elektron överförs från en molekyl till en annan molekyl eller substans. Elektronöverföring driver allt från fotosyntes och andning till elektronik. Att förstå dessa reaktioners mekanismer och hastigheter gör det möjligt att kontrollera avkänningsförmågan och utsignalen från elektroniska enheter, som solceller och biomedicinska sensorer.

Medförfattare Erin Ratcliff, biträdande professor i materialvetenskap och teknik, och postdoktor Melanie Rudolph har visat nya sätt att uppnå selektivitet för biomarkörer för att designa bättre biosensorer. Selektivitet uppnås genom att bearbeta en polymer på ett sådant sätt att den exakt kontrollerar hastigheten för laddningsöverföring mellan sig själv och en biomarkörmolekyl.

Det mesta av dagens elektronik är gjord av oorganiska halvledande material som kisel. De är mycket effektiva, men dyr att producera och har begränsad kompatibilitet med biologiska system.

"Traditionella elektroniska material är hårda och spröda, och därför benägna att misslyckas i flexibla bärbara strukturer, "Sade Ratcliff. "Befintliga implanterbara biomedicinska elektroniska enheter som defibrillatorer har nått anmärkningsvärd framgång - men potentialen för bärbar och implanterbar organisk bioelektronik är hisnande."

Inom det snabbt växande området organisk bioelektronik, ingenjörer använder ekologiska, eller kolbaserad, ledande polymerer för att producera elektronik som är låg kostnad och lätt, flexibel och bärbar, och lätt att skriva ut.

Sådan organisk bioelektronik kan innefatta mjuk, töjbara och transparenta jonpumpar för läkemedelstillförsel; bärbara bandage som nollställer sig på en av de hundratals biomarkörerna i svett; eller biologiska neurala vävnadsimplantat som gör det möjligt för en amputerad att manipulera en robotarm, hand och fingrar.

Materialen fungerar genom laddningsöverföringsreaktioner mellan de organiska ledande polymererna och den omgivande miljön. Dessa reaktioner är mycket annorlunda än de mellan oorganiska material och elektrolyter. Genom att bättre förstå dessa processer, forskare kan manipulera egenskaperna hos organiska polymerer för att producera mer biokompatibla enheter som suddar ut gränserna mellan människa och maskin.

Nytt territorium i experiment

I deras tidning, Ratcliff och Rudolph beskriver några av de första experimenten för att testa en ledande teori om elektronöverföring i elektrokemiska system med organiska polymerer.

Forskarna visade Marcus-Gerischer-modellen, baserad på den teoretiska fysikern och Nobelpristagaren Rudolph Marcus och den bortgångne elektrokemisten Heinz Gerischer. Marcus teori förklarar hastigheten för elektronöverföringsreaktioner från en molekyl till en annan; Gerischer utökade teorin för att förklara laddningsöverföringsreaktioner mellan molekyler i lösning (elektrolyter) och fasta material med ledande egenskaper, som metaller och halvledare.

UA-forskningen resulterade i två nyckelfynd.

Först, teamet visade att hastigheten för elektronöverföring från en polymer till en elektrolyt beror direkt på mängden energi som appliceras:ju högre spänning som appliceras, desto snabbare är elektronöverföringshastigheten. Detta är den normala regimen för avgiftsöverföring som Marcus teoretiserade.

Den andra, och mer spännande, bit för forskarna var deras demonstration av Marcus teori om inverterad laddningsöverföring, som säger att när spänningen som appliceras på ett kemiskt system ökar, elektronöverföringshastigheten vid något tillfälle saktar dramatiskt.

"I våra experiment, vi kombinerade Marcus och Gerischers formler och använde dem för att visa unika, men förutsägbar, elektronladdningsöverföringsmekanismer vid gränsytan mellan organiska polymerer och elektrolyter, ", sa Ratcliff. "Vi producerade nästan exakt samma inverterade kurva som vi förväntade oss baserat på Marcus-Gerischer-modellen."

"Jag förstod inverterad laddningsöverföring i teorin, men jag blev verkligen förvånad över att få dessa resultat om och om igen i labbet, sa Rudolph.

Ett ramverk för framtida forskning

Ratcliff och Rudolph använde en modellmolekyl, ferrocenedimethanol - en standard för elektrokemisk forskning - och det brett studerade tunnfilmspolymermaterialet poly-(3-hexyltiofen), eller P3HT. De fäste tunnfilmspolymeren på en glasskiva och exponerade den för en elektrolytlösning. Genom att använda en form av elektrokemisk spektroskopi, Ratcliff och Rudolph analyserade elektronöverföring och jonfördelning i mikrosekunder och sekunder.

Deras resultat visar totalt sett att elektronöverföring vid gränsytan mellan en ledande organisk polymer och elektrolyt styrs direkt av polymerens elektroniska struktur, en viktig designriktlinje för framtida tillämpningar för organisk bioelektronik.

"Vi föreslår saker för materialvetare och ingenjörer att leta efter så, använda verktygen för molekylär ingenjörskonst, de kan syntetisera avancerat material för önskade resultat, sa Rudolph.

"Varje gång du kommer på ett grundläggande ramverk för experiment, den skjuter ett fält framåt, " lade Ratcliff till.