Wissenschaftler lösen chemische Rätsel an der Schnittstelle von Biologie und Technologie

Forscher, die die Kluft zwischen Biologie und Technologie überbrücken wollen, verbringen viel Zeit damit, über die Übersetzung zwischen den beiden verschiedenen „Sprachen“ dieser Bereiche nachzudenken.

„Unsere digitale Technologie funktioniert über eine Reihe elektronischer Ein-Aus-Schalter, die den Strom- und Spannungsfluss steuern“, sagte Rajiv Giridharagopal, ein Forscher an der University of Washington. „Aber unser Körper basiert auf der Chemie. In unserem Gehirn verbreiten Neuronen Signale elektrochemisch, indem sie Ionen – geladene Atome oder Moleküle – und keine Elektronen bewegen.“

Implantierbare Geräte, vom Herzschrittmacher bis zum Glukosemonitor, sind auf Komponenten angewiesen, die beide Sprachen sprechen und diese Lücke schließen können. Zu diesen Komponenten gehören OECTs – oder organische elektrochemische Transistoren – die den Stromfluss in Geräten wie implantierbaren Biosensoren ermöglichen. Aber Wissenschaftler wussten schon lange um eine Eigenart von OECTs, die niemand erklären konnte: Wenn ein OECT eingeschaltet wird, gibt es eine Verzögerung, bevor der Strom das gewünschte Betriebsniveau erreicht. Im ausgeschalteten Zustand gibt es keine Verzögerung. Der Strom fällt fast sofort ab.

Eine von der UW geleitete Studie hat dieses Rätsel gelöst und dabei den Weg für maßgeschneiderte OECTs für eine wachsende Liste von Anwendungen in der Biosensorik, gehirninspirierten Berechnungen und darüber hinaus geebnet.

„Wie schnell man einen Transistor schalten kann, ist für fast jede Anwendung wichtig“, sagte Projektleiter David Ginger, Professor für Chemie an der UW, leitender Wissenschaftler am UW Clean Energy Institute und Fakultätsmitglied am UW Molecular Engineering and Sciences Institute. „Wissenschaftler haben das ungewöhnliche Schaltverhalten von OECTs erkannt, aber wir wussten nie, woran es liegt – bis jetzt.“

In einem Papier veröffentlicht In NaturmaterialienGingers Team an der UW berichtet – zusammen mit Professor Christine Luscombe vom Okinawa Institute of Science and Technology in Japan und Professor Chang-Zhi Li von der Zhejiang-Universität in China –, dass OECTs über einen zweistufigen Prozess aktiviert werden, der die Verzögerung verursacht . Aber sie scheinen durch einen einfacheren Ein-Schritt-Prozess ausgeschaltet zu werden.

Im Prinzip funktionieren OECTs wie Transistoren in der Elektronik: Im eingeschalteten Zustand ermöglichen sie den Fluss von elektrischem Strom. Im ausgeschalteten Zustand blockieren sie es. OECTs funktionieren jedoch, indem sie den Ionenfluss mit dem Elektronenfluss koppeln, was sie zu interessanten Wegen für die Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie macht.

Die neue Studie beleuchtet die zwei Schritte, die OECTs durchlaufen, wenn sie eingeschaltet werden. Zunächst rast eine Wellenfront aus Ionen über den Transistor. Dann dringen weitere ladungstragende Partikel in die flexible Struktur des Transistors ein, wodurch dieser leicht anschwillt und der Strom auf Betriebsniveau steigt. Im Gegensatz dazu entdeckte das Team, dass die Deaktivierung ein einstufiger Prozess ist: Die Konzentration geladener Chemikalien sinkt einfach gleichmäßig über den Transistor, wodurch der Stromfluss schnell unterbrochen wird.

Die Kenntnis der Ursache der Verzögerung sollte Wissenschaftlern dabei helfen, neue Generationen von OECTs für eine breitere Palette von Anwendungen zu entwickeln.

„In der Technologieentwicklung gab es schon immer das Bestreben, Komponenten schneller, zuverlässiger und effizienter zu machen“, sagte Ginger. „Dennoch sind die ‚Regeln‘ für das Verhalten von OECTs noch nicht gut verstanden. Eine treibende Kraft in dieser Arbeit ist es, sie zu lernen und sie auf zukünftige Forschungs- und Entwicklungsbemühungen anzuwenden.“

Unabhängig davon, ob sie sich in Geräten zur Messung des Blutzuckers oder der Gehirnaktivität befinden, bestehen OECTs größtenteils aus flexiblen, organischen halbleitenden Polymeren – sich wiederholenden Einheiten komplexer, kohlenstoffreicher Verbindungen – und funktionieren in Flüssigkeiten, die Salze und andere Chemikalien enthalten. Für dieses Projekt untersuchte das Team OECTs, die als Reaktion auf elektrische Ladung ihre Farbe ändern. Die Polymermaterialien wurden von Luscombes Team am Okinawa Institute of Science and Technology und Li’s an der Zhejiang-Universität synthetisiert und dann von den UW-Doktoranden Jiajie Guo und Shinya „Emerson“ Chen, die Co-Hauptautoren des Artikels sind, zu Transistoren verarbeitet.

„Eine Herausforderung beim Materialdesign für OECTs besteht darin, eine Substanz zu schaffen, die einen effektiven Ionentransport erleichtert und die elektronische Leitfähigkeit beibehält“, sagte Luscombe, der auch außerordentlicher Professor für Chemie sowie für Materialwissenschaft und -technik an der UW ist. „Der Ionentransport erfordert ein flexibles Material, während die Gewährleistung einer hohen elektronischen Leitfähigkeit typischerweise eine steifere Struktur erfordert, was ein Dilemma bei der Entwicklung solcher Materialien darstellt.“

Guo und Chen beobachteten unter einem Mikroskop – und zeichneten mit einer Smartphone-Kamera auf –, was genau passiert, wenn die speziell angefertigten OECTs ein- und ausgeschaltet werden. Es zeigte sich deutlich, dass der OECT-Aktivierungsverzögerung ein zweistufiger chemischer Prozess zugrunde liegt.

Frühere Forschungen, unter anderem von Gingers Gruppe an der UW, haben gezeigt, dass die Polymerstruktur, insbesondere ihre Flexibilität, für die Funktionsweise von OECTs wichtig ist. Diese Geräte arbeiten in mit Flüssigkeiten gefüllten Umgebungen, die chemische Salze und andere biologische Verbindungen enthalten, die im Vergleich zu den elektronischen Grundlagen unserer digitalen Geräte sperriger sind.

Die neue Studie geht noch einen Schritt weiter, indem sie die OECT-Struktur und -Leistung direkter verknüpft. Das Team stellte fest, dass der Grad der Aktivierungsverzögerung je nach Material, aus dem das OECT besteht, variieren sollte, etwa ob seine Polymere geordneter oder zufälliger angeordnet sind, so Giridharagopal. Zukünftige Forschungen könnten untersuchen, wie sich die Verzögerungszeiten reduzieren oder verlängern lassen, die bei OECTs in der aktuellen Studie Bruchteile einer Sekunde betrugen.

„Abhängig von der Art des Geräts, das Sie bauen möchten, können Sie Zusammensetzung, Flüssigkeit, Salze, Ladungsträger und andere Parameter an Ihre Bedürfnisse anpassen“, sagte Giridharagopal.

OECTs werden nicht nur in der Biosensorik eingesetzt. Sie werden auch verwendet, um Nervenimpulse in Muskeln zu untersuchen, sowie Formen der Datenverarbeitung, um künstliche neuronale Netzwerke zu schaffen und zu verstehen, wie unser Gehirn Informationen speichert und abruft. Diese sehr unterschiedlichen Anwendungen erfordern laut Ginger den Aufbau neuer Generationen von OECTs mit speziellen Funktionen, einschließlich An- und Ablaufzeiten.

„Da wir nun lernen, welche Schritte zur Realisierung dieser Anwendungen erforderlich sind, kann die Entwicklung wirklich beschleunigt werden“, sagte Ginger.

Guo ist jetzt Postdoktorand am Lawrence Berkeley National Laboratory und Chen ist jetzt Wissenschaftler bei Analog Devices. Weitere Co-Autoren des Papiers sind Connor Bischak, ein ehemaliger UW-Postdoktorand in Chemie, der jetzt Assistenzprofessor an der University of Utah ist; Jonathan Onorato, ein UW-Doktorand und Wissenschaftler bei Exponent; und Kangrong Yan und Ziqui Shen von der Zhejiang-Universität.