Forskare som vill överbrygga klyftan mellan biologi och teknik ägnar mycket tid åt att fundera på att översätta mellan de två olika "språken" i dessa världar.
"Vår digitala teknik fungerar genom en serie elektroniska av/på-brytare som styr flödet av ström och spänning", säger Rajiv Giridharagopal, forskare vid University of Washington. "Men våra kroppar verkar på kemi. I våra hjärnor sprider neuroner signaler elektrokemiskt genom att flytta joner – laddade atomer eller molekyler – inte elektroner."
Implanterbara enheter från pacemakers till glukosmätare förlitar sig på komponenter som kan tala båda språken och överbrygga det gapet. Bland dessa komponenter finns OECTs - eller organiska elektrokemiska transistorer - som tillåter ström att flöda i enheter som implanterbara biosensorer. Men forskarna visste länge om en egenhet med OECTs som ingen kunde förklara:När en OECT slås på finns det en fördröjning innan strömmen når den önskade operativa nivån. När den är avstängd finns det ingen fördröjning. Strömmen sjunker nästan omedelbart.
En UW-ledd studie har löst detta eftersläpande mysterium, och i processen banade vägen för skräddarsydda OECTs för en växande lista med tillämpningar inom biosensing, hjärninspirerad beräkning och mer.
"Hur snabbt du kan byta en transistor är viktigt för nästan alla tillämpningar", säger projektledaren David Ginger, en UW-professor i kemi, chefsforskare vid UW Clean Energy Institute och fakultetsmedlem i UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Forskare har insett det ovanliga växlingsbeteendet hos OECTs, men vi visste aldrig orsaken - förrän nu."
I en artikel publicerad i Nature Materials , Gingers team vid UW – tillsammans med professor Christine Luscombe vid Okinawa Institute of Science and Technology i Japan och professor Chang-Zhi Li vid Zhejiang University i Kina – rapporterar att OECTs aktiveras via en tvåstegsprocess, vilket orsakar eftersläpningen . Men de verkar stängas av genom en enklare process i ett steg.
OECT:er fungerar i princip som transistorer inom elektronik:När de är påslagna tillåter de elektrisk ström att flyta. När de är avstängda blockerar de den. Men OECTs fungerar genom att koppla flödet av joner med flödet av elektroner, vilket gör dem till intressanta vägar för gränssnitt med kemi och biologi.
Den nya studien belyser de två steg som OECTs går igenom när de slås på. Först rasar en vågfront av joner över transistorn. Sedan invaderar fler laddningsbärande partiklar transistorns flexibla struktur, vilket gör att den sväller något och för strömmen upp till driftsnivåer. Däremot upptäckte teamet att deaktivering är en process i ett steg:Nivåerna av laddade kemikalier sjunker helt enkelt jämnt över transistorn, vilket snabbt avbryter strömflödet.
Att känna till fördröjningens orsak bör hjälpa forskare att designa nya generationer av OECT för en bredare uppsättning applikationer.
"Det har alltid funnits denna drivkraft inom teknikutveckling för att göra komponenter snabbare, mer tillförlitliga och effektivare," sa Ginger. "Ändå har "reglerna" för hur OECTs beter sig inte förståtts väl. En drivkraft i detta arbete är att lära sig dem och tillämpa dem på framtida forsknings- och utvecklingsinsatser."
Oavsett om de finns i enheter för att mäta blodsocker eller hjärnaktivitet, består OECTs till stor del av flexibla, organiska halvledande polymerer - upprepande enheter av komplexa, kolrika föreningar - och fungerar nedsänkta i vätskor som innehåller salter och andra kemikalier. För detta projekt studerade teamet OECTs som ändrar färg som svar på elektrisk laddning. Polymermaterialen syntetiserades av Luscombes team vid Okinawa Institute of Science and Technology och Li's vid Zhejiang University, och tillverkades sedan till transistorer av UW:s doktorander Jiajie Guo och Shinya "Emerson" Chen, som är medförfattare på tidningen.
"En utmaning i materialdesignen för OECTs ligger i att skapa ett ämne som underlättar effektiv jontransport och bibehåller elektronisk ledningsförmåga", säger Luscombe, som också är en UW affiliate professor i kemi och materialvetenskap och ingenjörskonst. "Jontransporten kräver ett flexibelt material, medan säkerställande av hög elektronisk konduktivitet vanligtvis kräver en styvare struktur, vilket utgör ett dilemma i utvecklingen av sådana material."
Guo och Chen observerade under ett mikroskop – och spelade in med en smartphonekamera – exakt vad som händer när de specialbyggda OECT:erna slås på och av. Den visade tydligt att en kemisk process i två steg ligger i hjärtat av OECT-aktiveringsfördröjningen.
Tidigare forskning, inklusive av Gingers grupp vid UW, visade att polymerstruktur, särskilt dess flexibilitet, är viktig för hur OECTs fungerar. Dessa enheter fungerar i vätskefyllda miljöer som innehåller kemiska salter och andra biologiska föreningar, som är mer skrymmande jämfört med den elektroniska grunden för våra digitala enheter.
Den nya studien går längre genom att mer direkt koppla OECT-struktur och prestanda. Teamet fann att graden av aktiveringsfördröjning borde variera baserat på vilket material OECT är gjord av, till exempel om dess polymerer är mer ordnade eller mer slumpmässigt arrangerade, enligt Giridharagopal. Framtida forskning skulle kunna utforska hur man kan minska eller förlänga fördröjningstiderna, som för OECTs i den aktuella studien var bråkdelar av en sekund.
"Beroende på vilken typ av enhet du försöker bygga kan du skräddarsy sammansättning, vätska, salter, laddningsbärare och andra parametrar för att passa dina behov", säger Giridharagopal.
OECTs används inte bara i biosensing. De används också för att studera nervimpulser i muskler, samt former av beräkningar för att skapa artificiella neurala nätverk och förstå hur våra hjärnor lagrar och hämtar information. Dessa vitt skilda tillämpningar kräver att man bygger nya generationer av OECT med specialiserade funktioner, inklusive upp- och nedtrappningstider, enligt Ginger.
"Nu när vi lär oss stegen som behövs för att förverkliga dessa applikationer kan utvecklingen verkligen accelerera", säger Ginger.
Guo är nu postdoktor vid Lawrence Berkeley National Laboratory och Chen är nu vetenskapsman vid Analog Devices. Andra medförfattare på uppsatsen är Connor Bischak, en tidigare UW-postdoktor i kemi som nu är biträdande professor vid University of Utah; Jonathan Onorato, doktorand i UW och vetenskapsman vid Exponent; och Kangrong Yan och Ziqui Shen från Zhejiang University.
Mer information: Jiajie Guo et al, Understanding asymmetric switching times in accumulation mode organical electrochemical transistors, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01875-3
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of Washington
