Wetenschap
Organische elektrochemische transistors:wetenschappers lossen chemische mysteries op op het grensvlak van biologie en technologie
Onderzoekers die de kloof tussen biologie en technologie willen overbruggen, besteden veel tijd aan het nadenken over het vertalen tussen de twee verschillende ‘talen’ van die gebieden.
"Onze digitale technologie werkt via een reeks elektronische aan-uitschakelaars die de stroom- en spanningsstroom regelen", zegt Rajiv Giridharagopal, onderzoeker aan de Universiteit van Washington. "Maar ons lichaam werkt op basis van chemie. In onze hersenen verspreiden neuronen signalen elektrochemisch, door ionen (geladen atomen of moleculen) te verplaatsen, en niet door elektronen."
Implanteerbare apparaten, van pacemakers tot glucosemeters, vertrouwen op componenten die beide talen kunnen spreken en die kloof kunnen overbruggen. Onder deze componenten bevinden zich OECT's – of organische elektrochemische transistors – die ervoor zorgen dat er stroom kan stromen in apparaten zoals implanteerbare biosensoren. Maar wetenschappers waren al lang op de hoogte van een eigenaardigheid van OECT's die niemand kon verklaren:wanneer een OECT wordt ingeschakeld, duurt het even voordat de stroom het gewenste operationele niveau bereikt. Wanneer uitgeschakeld, is er geen vertraging. De stroom daalt vrijwel onmiddellijk.
Een door UW geleide studie heeft dit achterblijvende mysterie opgelost en heeft daarbij de weg vrijgemaakt voor op maat gemaakte OECT's voor een groeiende lijst van toepassingen op het gebied van biosensoren, hersengeïnspireerde berekeningen en meer.
"Hoe snel je een transistor kunt schakelen is belangrijk voor vrijwel elke toepassing", zegt projectleider David Ginger, hoogleraar scheikunde aan de UW, hoofdwetenschapper aan het UW Clean Energy Institute en faculteitslid aan het UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Wetenschappers hebben het ongebruikelijke schakelgedrag van OECT's herkend, maar we hebben de oorzaak nooit geweten - tot nu toe."
In een artikel gepubliceerd in Nature Materials Ginger's team bij de UW – samen met professor Christine Luscombe van het Okinawa Institute of Science and Technology in Japan en professor Chang-Zhi Li van de Zhejiang Universiteit in China – meldt dat OECT’s worden ingeschakeld via een proces in twee stappen, dat de vertraging veroorzaakt . Maar ze lijken te worden uitgeschakeld via een eenvoudiger eenstapsproces.
In principe werken OECT's als transistors in de elektronica:wanneer ze zijn ingeschakeld, laten ze elektrische stroom stromen. Wanneer uitgeschakeld, blokkeren ze het. Maar OECT's werken door de stroom van ionen te koppelen aan de stroom van elektronen, wat ze interessante routes maakt voor interactie met chemie en biologie.
Het nieuwe onderzoek belicht de twee stappen die OECT's doorlopen wanneer ze worden ingeschakeld. Eerst raast een golffront van ionen over de transistor. Vervolgens dringen meer ladingdragende deeltjes de flexibele structuur van de transistor binnen, waardoor deze enigszins opzwelt en de stroom op operationele niveaus komt. Het team ontdekte daarentegen dat deactivering een proces in één stap is:de niveaus van geladen chemicaliën dalen eenvoudigweg gelijkmatig over de transistor, waardoor de stroomstroom snel wordt onderbroken.
Het kennen van de oorzaak van de vertraging zou wetenschappers moeten helpen nieuwe generaties OECT's te ontwerpen voor een breder scala aan toepassingen.
"Er is altijd een drang geweest in de technologieontwikkeling om componenten sneller, betrouwbaarder en efficiënter te maken", aldus Ginger. "Toch zijn de 'regels' voor hoe OECT's zich gedragen nog niet goed begrepen. Een drijvende kracht in dit werk is om ze te leren en toe te passen op toekomstige onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen."
Of ze zich nu in apparaten bevinden om de bloedglucose of hersenactiviteit te meten, OECT's bestaan grotendeels uit flexibele, organische halfgeleidende polymeren (herhalende eenheden van complexe, koolstofrijke verbindingen) en werken ondergedompeld in vloeistoffen die zouten en andere chemicaliën bevatten. Voor dit project bestudeerde het team OECT's die van kleur veranderen als reactie op elektrische lading. De polymeermaterialen werden gesynthetiseerd door het team van Luscombe van het Okinawa Institute of Science and Technology en Li's van de Zhejiang Universiteit, en vervolgens tot transistors vervaardigd door UW-doctoraatsstudenten Jiajie Guo en Shinya "Emerson" Chen, die co-hoofdauteurs van het papier zijn.
"Een uitdaging bij het materiaalontwerp voor OECT's ligt in het creëren van een stof die effectief ionentransport mogelijk maakt en de elektronische geleidbaarheid behoudt", zegt Luscombe, die ook UW-hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en -techniek is. "Het ionentransport vereist een flexibel materiaal, terwijl het garanderen van een hoge elektronische geleidbaarheid doorgaans een stijvere structuur vereist, wat een dilemma oplevert bij de ontwikkeling van dergelijke materialen."
Guo en Chen observeerden onder een microscoop – en legden vast met een smartphonecamera – wat er precies gebeurt als de op maat gemaakte OECT’s worden in- en uitgeschakeld. Hieruit bleek duidelijk dat een chemisch proces in twee stappen de kern vormt van de OECT-activeringsvertraging.
Eerder onderzoek, onder meer door Ginger's groep aan de UW, heeft aangetoond dat de polymeerstructuur, en vooral de flexibiliteit ervan, belangrijk is voor de manier waarop OECT's functioneren. Deze apparaten werken in met vloeistof gevulde omgevingen die chemische zouten en andere biologische verbindingen bevatten, die omvangrijker zijn vergeleken met de elektronische onderbouwing van onze digitale apparaten.
De nieuwe studie gaat verder door de OECT-structuur en -prestaties directer met elkaar te verbinden. Het team ontdekte dat de mate van activeringsvertraging zou moeten variëren op basis van het materiaal waarvan de OECT is gemaakt, bijvoorbeeld of de polymeren meer geordend of willekeuriger zijn gerangschikt, aldus Giridharagopal. Toekomstig onderzoek zou kunnen onderzoeken hoe de vertragingstijden, die voor OECT's in het huidige onderzoek fracties van een seconde bedroegen, kunnen worden verkort of verlengd.
"Afhankelijk van het type apparaat dat je probeert te bouwen, kun je de samenstelling, vloeistof, zouten, ladingsdragers en andere parameters aanpassen aan je behoeften", zegt Giridharagopal.
OECT's worden niet alleen gebruikt bij biosensoren. Ze worden ook gebruikt om zenuwimpulsen in spieren te bestuderen, evenals vormen van computergebruik om kunstmatige neurale netwerken te creëren en te begrijpen hoe onze hersenen informatie opslaan en ophalen. Deze zeer uiteenlopende toepassingen maken het bouwen van nieuwe generaties OECT's met gespecialiseerde functies, waaronder aanloop- en uitlooptijden, noodzakelijk, aldus Ginger.
"Nu we de stappen leren die nodig zijn om deze toepassingen te realiseren, kan de ontwikkeling echt versnellen", aldus Ginger.
Guo is nu postdoctoraal onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en Chen is nu wetenschapper bij Analog Devices. Andere co-auteurs van het artikel zijn Connor Bischak, een voormalig UW postdoctoraal onderzoeker in de scheikunde, die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Utah; Jonathan Onorato, een UW-promovendus en wetenschapper bij Exponent; en Kangrong Yan en Ziqui Shen van de Zhejiang Universiteit.