Bestimmte Elektronik, die in den menschlichen Körper integriert ist – zum Beispiel eine Smartwatch, die Ihren Schweiß misst – funktioniert, indem sie die ionenbasierten Signale biologischen Gewebes in die elektronenbasierten Signale umwandelt, die in Transistoren verwendet werden. Aber die Materialien in diesen Geräten sind oft darauf ausgelegt, die Ionenaufnahme zu maximieren, während die elektronische Leistung geopfert wird.
Um dies zu beheben, entwickelten die MIT-Forscher eine Strategie zum Design dieser Materialien, die als organische gemischte ionisch-elektronische Leiter (OMIECs) bezeichnet werden und ihre ionischen und elektronischen Fähigkeiten ins Gleichgewicht bringen.
Diese optimierten OMIECs können diese Signale sogar so lernen und speichern, dass sie biologische Neuronen nachahmen, so Aristide Gumyusenge, Merton C. Flemings Assistant Professor of Materials Science and Engineering.
„Dieses Verhalten ist der Schlüssel zu biologisch inspirierter Elektronik und Körper-Maschine-Schnittstellen der nächsten Generation, bei denen unsere künstlichen Komponenten für eine nahtlose Integration die gleiche Sprache sprechen müssen wie die natürlichen“, sagt er.
Gumyusenge und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse am Freitag in der „Rising Stars“-Reihe des Fachblatts Klein. Zu seinen Co-Autoren gehören Sanket Samal, ein MIT-Postdoc; Heejung Roh und Camille E. Cunin, beide MIT Ph.D. Studenten; und Geon Gug Yang, ein Gast-Ph.D. Student des Korea Advanced Institute of Science and Technology.
Aufbau einer besseren OMIEC
Elektronik, die direkt mit dem menschlichen Körper verbunden ist, muss aus leichter, flexibler und biologisch kompatibler Elektronik bestehen. Organische Polymermaterialien wie OMIECs, die sowohl Ionen als auch Elektronen transportieren können, eignen sich hervorragend als Bausteine für die Transistoren in diesen Geräten.
„Ionische und elektronische Leitfähigkeiten haben jedoch entgegengesetzte Trends“, erklärt Gumyusenge. „Das heißt, die Verbesserung der Ionenaufnahme bedeutet normalerweise, dass die elektronische Mobilität geopfert wird.“
Gumyusenge und seine Kollegen fragten sich, ob sie ein besseres OMIEC bauen könnten, indem sie von Grund auf neue Copolymere entwickeln, ein hochleitfähiges Pigment namens DPP verwenden und das chemische Rückgrat und die Seitenketten des Copolymers verändern. Durch die selektive Steuerung der Dichte bestimmter Seitenketten konnten die Forscher sowohl die Ionenpermeabilität als auch den Elektronenladungstransport maximieren.
Die Technik könnte verwendet werden, „um eine breite Bibliothek von OMIECs aufzubauen … und so den derzeitigen Engpass für alle Materialien zu lösen“, der jetzt bei ionisch-elektronischen Geräten existiert, sagt Gumyusenge.
Die neu gestalteten OMIECs behalten auch nach einem Backschritt bei 300 Grad Celsius (572 Grad Fahrenheit) ihre elektrochemischen Eigenschaften bei, wodurch sie mit kommerziellen Herstellungsbedingungen kompatibel sind, die zur Herstellung herkömmlicher integrierter Schaltkreise verwendet werden.
Angesichts der Tatsache, dass der OMIEC-Designprozess das Hinzufügen weicherer und „ionenfreundlicherer“ Bausteine beinhaltete, waren die thermischen Eigenschaften der Polymere und die Auswirkungen der Wärmebehandlung „beeindruckend und eine angenehme Überraschung“, sagt Gumyusenge.
OMIECs in künstlichen Neuronen
Die Designstrategie der MIT-Forscher ermöglicht es, die Fähigkeit einer OMIEC, eine ionenbasierte elektrochemische Ladung zu empfangen und zu halten, einzustellen. Der Prozess ähnelt dem, was mit biologischen Neuronen passiert, die Ionen verwenden, um während des Lernens und des Gedächtnisses zu kommunizieren.
Dies ließ Gumyusenges Team fragen: Könnten ihre OMIECs in Geräten verwendet werden, die die synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen im Gehirn nachahmen?
Die MIT-Studie zeigte, dass die künstlichen Synapsen Signale in einer Weise leiten können, die der dem Lernen zugrunde liegenden synaptischen Plastizität ähnelt, sowie eine anhaltende Verstärkung der Signalübertragung der Synapse, die dem biologischen Prozess der Gedächtnisbildung ähnelt.
Eines Tages könnten solche künstlichen Synapsen die Grundlage für künstliche neuronale Netze bilden, die die Integration von Elektronik und Biologie noch leistungsfähiger machen könnten, sagen die Forscher.
Zum Beispiel sagt Gumyusenge, „Materialien wie das Polymer, über das wir berichten, sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung von Rückkopplungssystemen mit geschlossenem Regelkreis“, die Dinge tun könnten, wie den Insulinspiegel einer Person zu überwachen und basierend auf diesen Daten automatisch die richtige Insulindosis abzugeben .
Mehr Informationen:
Sanket Samal et al, Molekular hybridisierte Leitung in DPP‐basierten Donor‐Akzeptor‐Copolymeren für hochleistungsfähige Ionenelektronik, Klein (2023). DOI: 10.1002/klein.202207554
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