Under de senaste fem åren, Northwestern Universitys Jonathan Rivnay har märkt en ökning i utvecklingen av nya organiska blandade ledare - polymermaterial som kan transportera både elektroner och joner. Lättare, mer flexibel, och lättare att bearbeta än deras oorganiska motsvarigheter, de kolbaserade materialen visar lovande i ett brett sortiment av applikationer, allt från medicinsk utrustning till energilagring. Men med ökad produktivitet och innovation kommer ett kanske oförutsett problem.

"Det kan vara utmanande och tidskrävande att ta nya material, sätta dem på en enhet, och spela in deras framträdande, sade Rivnay, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Men ännu mer utmanande är att korrekt jämföra prestandan för dessa nya material med varandra eftersom det inte har funnits en etablerad benchmarkingmetod."

Nu har Rivnay och hans team fyllt detta tomrum. För att hjälpa forskare att hitta de bästa organiska blandade ledarna för specifika tillämpningar, Rivnay och hans team har utvecklat ett nytt ramverk för att jämföra och jämföra deras prestationer. Denna metod möjliggör inte bara jämförelse av befintliga material, det kan också användas för att informera om utformningen av nya organiska material.

Forskningen publicerades på nätet i fredags, 24 november in Naturkommunikation . Rivnay är tidningens motsvarande författare. Sahika Inal, biträdande professor i biovetenskap vid King Abdullah University of Science and Technology, fungerade som tidningens första författare.

Organiska ledare är mjuka material som leder elektricitet. De visar lovande i billiga, lättvikt, flexibla tekniker, inklusive solceller, utskrivbara elektroniska kretsar, och organiska ljusemitterande dioder. På senare tid, deras förmåga att interagera intimt med joner och biomolekyler har lett till ett stort intresse för biointegrerad elektronik, såsom implanterbar medicinsk utrustning som kan övervaka eller reglera signaler inuti människokroppen.

Ett enda material, dock, kan inte föra alla dessa applikationer till verklighet. Varje applikation kräver ett material med en viss uppsättning egenskaper. En sensor, till exempel, kan kräva ett material med extrem känslighet, medan en ny klass av batterier kan behöva ett material som är stabilare eller har högre kapacitet för att hålla en elektronisk laddning.

"Materialdesignsatsningar har påskyndat utvecklingen av nya material med specifika funktioner och prestanda, ", sa Rivnay. "Men vi saknar en materialbaserad siffra av merit för att jämföra och vägleda materialdesign och utveckling."

För att lösa det här problemet, Rivnay och hans team tittade på den organiska elektrokemiska transistorn, en typ av transistor där joner strömmar mellan en organisk ledare och en elektrolyt för att koppla på eller stänga av den elektriska ström som flyter genom enheten. Under de senaste 20 åren, forskare har vanligtvis använt en begränsad uppsättning ledande polymerer i dessa enheter. Rivnay bytte ut dessa polymerer mot 10 nyutvecklade organiska blandade ledare.

Efter att ha byggt elektrokemiska transistorer från 10 olika organiska blandade ledare, Rivnay och hans team mätte hur bra varje transistor presterade, jämföra parametrar som hur lätt varje enhet transporterade joner och lagrade en elektronisk laddning. Genom att utvärdera varje material prestanda som transistor, Rivnay bedömde sedan lätt sina styrkor och svagheter.

"Vi använde organiska elektrokemiska transistorer som ett verktyg för att förstå nya organiska blandade ledare, ", sa Rivnay. "Det här verktyget tillåter oss inte bara att se om ett material är bättre än ett annat, det berättar också varför."

Även om Rivnay utförde sina experiment med en uppsättning av 10 nya material, metoden skulle kunna användas för hur många nyutvecklade organiska ledare som helst. Nästa, han planerar att ytterligare utforska egenskaperna hos de högst presterande materialen bland dem han testade.

"Vi tittar på det mer lovande materialet och försöker svara på fler frågor, till exempel hur man gör dem mer stabila eller känsliga, "Rivnay sa. "Vårt arbete tillåter oss att tänka på dessa material mer rationellt när vi riktar in dem för tillämpningar som biosensing."