Het probleem is een fundamentele onverenigbaarheid in communicatiestijlen.

Die conclusie zou kunnen opduiken tijdens een echtscheidingsprocedure, of beschrijf een diplomatieke ruzie. Maar wetenschappers die polymeren ontwerpen die de biologische en elektronische kloof kunnen overbruggen, moeten ook omgaan met incompatibele berichtstijlen. Elektronica is afhankelijk van snelle elektronenstromen, maar hetzelfde geldt niet voor onze hersenen.

"De meeste van onze technologie is gebaseerd op elektronische stromen, maar biologie zet signalen om met ionen, die geladen atomen of moleculen zijn, " zei David Gember, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Washington en hoofdwetenschapper aan het Clean Energy Institute van de UW. "Als je elektronica en biologie wilt koppelen, je hebt een materiaal nodig dat effectief communiceert tussen die twee rijken."

Ginger is hoofdauteur van een artikel dat op 19 juni online is gepubliceerd in Natuurmaterialen waarin UW-onderzoekers direct een dunne film hebben gemeten die is gemaakt van een enkel type geconjugeerd polymeer - een geleidend plastic - terwijl het in wisselwerking stond met ionen en elektronen. Ze laten zien hoe variaties in de polymeerlay-out stijve en niet-rigide delen van de film opleverden, en dat deze regio's elektronen of ionen zouden kunnen herbergen - maar niet beide in gelijke mate. Hoe zachter, niet-rigide gebieden waren slechte elektronengeleiders, maar konden subtiel opzwellen om ionen op te nemen, terwijl het tegenovergestelde gold voor rigide regio's.

Organische halfgeleidende polymeren zijn complexe matrices gemaakt van herhalende eenheden van een koolstofrijk molecuul. Een organisch polymeer dat geschikt is voor beide soorten geleiding - ionen en elektronen - is de sleutel tot het creëren van nieuwe biosensoren, flexibele bio-elektronische implantaten en betere batterijen. Maar verschillen in grootte en gedrag tussen kleine elektronen en omvangrijke ionen hebben dit geen gemakkelijke taak gemaakt. Hun resultaten laten zien hoe cruciaal het polymeersynthese- en lay-outproces is voor de elektronische en ionische geleidbaarheidseigenschappen van de film. Hun bevindingen kunnen zelfs de weg vooruit wijzen bij het maken van polymeerapparaten die de eisen van elektronisch transport en ionentransport kunnen balanceren.

"We begrijpen nu de ontwerpprincipes om polymeren te maken die zowel ionen als elektronen effectiever kunnen transporteren, " zei Ginger. "We demonstreren zelfs door microscopie hoe we de locaties in deze zachte polymeerfilms kunnen zien waar de ionen effectief worden getransporteerd en waar ze dat niet zijn."

Ginger's team heeft de fysische en elektrochemische eigenschappen gemeten van een film gemaakt van poly (3-hexylthiofeen), of P3HT, wat een relatief veel voorkomend organisch halfgeleidermateriaal is. Hoofdauteur Rajiv Giridharagopal, een onderzoeker bij de afdeling Scheikunde van UW, onderzocht de elektrochemische eigenschappen van de P3HT-film gedeeltelijk door een techniek te lenen die oorspronkelijk was ontwikkeld om elektroden in lithium-ionbatterijen te meten.

De aanpak, elektrochemische spanningsmicroscopie, gebruikt een naaldachtige sonde die is opgehangen aan een mechanische arm om veranderingen in de fysieke grootte van een object te meten met precisie op atomair niveau. Giridharagopal ontdekte dat, wanneer een P3HT-film in een ionenoplossing werd geplaatst, bepaalde delen van de film kunnen subtiel opzwellen om ionen in de film te laten stromen.

"Dit was een bijna onmerkbare zwelling - slechts 1 procent van de totale dikte van de film, " zei Giridharagopal. "En met behulp van andere methoden, we ontdekten dat de delen van de film die konden opzwellen om ionen binnen te laten, ook een minder stijve structuur en polymeerrangschikking hadden."

Stijve en kristallijne gebieden van de film konden niet opzwellen om ionen binnen te laten. Maar de stijve gebieden waren ideale plekken om elektronen te geleiden.

Ginger en zijn team wilden bevestigen dat structurele variaties in het polymeer de oorzaak waren van deze variaties in elektrochemische eigenschappen van de film. Co-auteur Christine Luscombe, een UW universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en lid van het Clean Energy Institute, en haar team maakten nieuwe P3HT-films met verschillende niveaus van stijfheid op basis van variaties in de polymeerrangschikking.

Door deze nieuwe films aan dezelfde reeks tests te onderwerpen, Giridharagopal toonde een duidelijke correlatie tussen polymeerrangschikking en elektrochemische eigenschappen. De minder rigide en meer amorfe polymeerlay-outs leverden films op die konden zwellen om ionen binnen te laten, maar waren slechte geleiders van elektronen. Meer kristallijne polymeerrangschikkingen leverden stijvere films op die gemakkelijk elektronen konden geleiden. Deze metingen tonen voor het eerst aan dat kleine structurele verschillen in de manier waarop organische polymeren worden verwerkt en geassembleerd, grote gevolgen kunnen hebben voor de opname van ionen of elektronen in de film. Het kan ook betekenen dat deze afweging tussen de behoeften van ionen en elektronen onvermijdelijk is. Maar deze resultaten geven Ginger hoop dat een andere oplossing mogelijk is.

"De implicatie van deze bevindingen is dat je mogelijk een kristallijn materiaal zou kunnen inbedden - dat elektronen zou kunnen transporteren - in een materiaal dat meer amorf is en ionen zou kunnen transporteren, "zei Ginger. "Stel je voor dat je het beste van twee werelden zou kunnen benutten, zodat je een materiaal zou kunnen hebben dat in staat is om effectief elektronen te transporteren en op te zwellen bij ionenopname - en dan de twee met elkaar te koppelen."