Ingenieurs van de Universiteit van Arizona hebben experimenteel de elektrochemische processen geverifieerd die de ladingsoverdrachtsnelheid van een organisch polymeer naar een biomarkermolecuul regelen. het gebruik van gemeenschappelijke materialen en meettechnieken om hun resultaten breed toegankelijk en reproduceerbaar te maken.

Hun bevindingen, gemeld in Natuurcommunicatie , zal het gebied van organische bio-elektronica vooruit helpen, vooral in de geneeskunde, en toepassingen hebben voor technologieën voor energieopslag, zoals batterijen en brandstofcellen.

Een natuurlijke uitdaging

Elektronenoverdrachtsreacties zijn fundamentele processen in de biologie, scheikunde, natuurkunde en techniek waarbij een elektron wordt overgedragen van het ene molecuul naar een ander molecuul of stof. Elektronenoverdracht stuurt alles aan, van fotosynthese en ademhaling tot elektronica. Het begrijpen van de mechanismen en snelheden van deze reacties maakt het mogelijk om het detectievermogen en het uitgangssignaal van elektronische apparaten te regelen, zoals zonnecellen en biomedische sensoren.

Co-auteurs Erin Ratcliff, assistent-professor in materiaalkunde en techniek, en postdoctoraal medewerker Melanie Rudolph hebben nieuwe manieren aangetoond om selectiviteit voor biomarkers te bereiken voor het ontwerpen van betere biosensoren. Selectiviteit wordt bereikt door een polymeer zo te verwerken dat het nauwkeurig de snelheid van ladingsoverdracht tussen zichzelf en een biomarkermolecuul regelt.

De meeste hedendaagse elektronica is gemaakt van anorganische halfgeleidende materialen zoals silicium. Ze zijn zeer effectief, maar duur om te produceren en beperkte compatibiliteit met biologische systemen.

"Traditionele elektronische materialen zijn hard en broos, en daardoor vatbaar voor storingen in flexibele draagbare structuren, Ratcliff zei. "Bestaande implanteerbare biomedische elektronische apparaten zoals defibrillators hebben opmerkelijk succes geboekt, maar het potentieel voor draagbare en implanteerbare organische bio-elektronica is adembenemend."

Op het snelgroeiende gebied van organische bio-elektronica, ingenieurs gebruiken organische, of op koolstof gebaseerde, geleidende polymeren om elektronica te produceren die goedkoop en lichtgewicht is, flexibel en draagbaar, en gemakkelijk te printen.

Dergelijke organische bio-elektronica kan zachte, rekbare en transparante ionenpompen voor medicijnafgifte; draagbare verbanden die invallen op een van de honderden biomarkers in het zweet; of biologische implantaten van neuraal weefsel waarmee een geamputeerde een robotarm kan manipuleren, hand en vingers.

De materialen werken door ladingsoverdrachtsreacties tussen de organische geleidende polymeren en de omgeving. Deze reacties zijn heel anders dan die tussen anorganische materialen en elektrolyten. Door deze processen beter te begrijpen, onderzoekers kunnen de eigenschappen van organische polymeren manipuleren om meer biocompatibele apparaten te produceren die de grenzen tussen mens en machine vervagen.

Nieuw gebied in experimenten

In hun krant Ratcliff en Rudolph beschrijven enkele van de eerste experimenten om een ​​toonaangevende theorie van elektronenoverdracht in elektrochemische systemen met organische polymeren te testen.

De onderzoekers demonstreerden het Marcus-Gerischer-model, gebaseerd op het werk van theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar Rudolph Marcus en wijlen elektrochemicus Heinz Gerischer. Marcus-theorie verklaart de snelheden van elektronenoverdrachtsreacties van het ene molecuul naar het andere; Gerischer breidde de theorie uit om ladingsoverdrachtsreacties tussen moleculen in oplossing (elektrolyten) en vaste materialen met geleidende eigenschappen te verklaren, zoals metalen en halfgeleiders.

Het UA-onderzoek resulteerde in twee belangrijke bevindingen.

Eerst, het team toonde aan dat de snelheid van elektronenoverdracht van een polymeer naar een elektrolyt direct afhangt van de hoeveelheid toegepaste energie:hoe groter de aangelegde spanning, hoe sneller de snelheid van elektronenoverdracht. Dit is het normale regime van ladingoverdracht die Marcus heeft getheoretiseerd.

De seconde, en spannender, stuk voor de onderzoekers was hun demonstratie van Marcus' theorie van omgekeerde ladingsoverdracht, waarin staat dat naarmate de spanning op een chemisch systeem toeneemt, elektronenoverdrachtsnelheid op een gegeven moment drastisch vertraagt.

"Bij onze experimenten we hebben de formules van Marcus en Gerischer gecombineerd en toegepast om unieke, maar voorspelbaar, mechanismen voor elektronenladingoverdracht op het grensvlak van organische polymeren en elektrolyten, " zei Ratcliff. "We produceerden bijna precies dezelfde omgekeerde curve die we verwachtten op basis van het Marcus-Gerischer-model."

"Ik begreep de overdracht van omgekeerde lading in theorie, maar ik was echt verrast om deze resultaten keer op keer in het lab te krijgen, ' zei Rudolf.

Een kader voor toekomstig onderzoek

Ratcliff en Rudolph gebruikten een modelmolecuul, ferrocenedimethanol - een standaard voor elektrochemisch onderzoek - en het veel bestudeerde dunnefilmpolymeermateriaal poly- (3-hexylthiofeen), of P3HT. Ze bevestigden het dunnefilmpolymeer op een glasplaatje en stelden het bloot aan een elektrolytoplossing. Door gebruik te maken van een vorm van elektrochemische spectroscopie, Ratcliff en Rudolph analyseerden elektronenoverdracht en ionenverdeling in microseconden en seconden.

Hun bevindingen tonen in het algemeen aan dat elektronenoverdracht op het grensvlak van een geleidend organisch polymeer en elektrolyt direct wordt geregeld door de elektronische structuur van het polymeer, een belangrijke ontwerprichtlijn voor toekomstige organische bio-elektronicatoepassingen.

"We stellen dingen voor waar materiaalwetenschappers en ingenieurs naar moeten zoeken, met behulp van de tools van moleculaire engineering, ze kunnen geavanceerde materialen synthetiseren voor de gewenste resultaten, ' zei Rudolf.

"Elke keer dat je een fundamenteel raamwerk voor experimenten bedenkt, het duwt een veld naar voren, ' voegde Ratcliff eraan toe.