想要弥合生物学和技术之间鸿沟的研究人员花费大量时间思考在这些领域的两种不同“语言”之间进行翻译。
“我们的数字技术通过一系列电子开关来控制电流和电压的流动，”华盛顿大学的研究科学家拉吉夫·吉里达拉戈帕尔（Rajiv Giridharagopal）说。“但是我们的身体是靠化学反应运作的。在我们的大脑中，神经元通过移动离子（带电原子或分子）而不是电子来电化学传播信号。
从心脏起搏器到血糖监测仪的植入式设备依赖于能够说两种语言并弥合这一差距的组件。这些组件包括OECT（或有机电化学晶体管），它允许电流流入植入式生物传感器等设备。但科学家们早就知道OECT的一个怪癖，没有人能解释：当OECT打开时，电流在达到所需的操作水平之前会有一个滞后。关闭时，没有延迟。电流几乎立即下降。
威斯康星大学领导的一项研究解决了这个滞后的谜团，并在此过程中为定制OECT铺平了道路，这些OECT在生物传感、类脑计算等领域应用越来越多。
“开关晶体管的速度对于几乎任何应用都很重要，”项目负责人David Ginger说，他是威斯康星大学化学教授，威斯康星大学清洁能源研究所首席科学家，也是威斯康星大学分子工程与科学研究所的教员。“科学家们已经认识到OECT的异常切换行为，但直到现在我们才知道其原因。
在4月17日发表在《自然材料》（Nature Materials）杂志上的一篇论文中，Ginger在华盛顿大学的团队与日本冲绳科学技术研究所的Christine Luscombe教授和中国浙江大学的Chang-Zhi Li教授一起报告说，OECT通过两步过程启动，这导致了滞后。但它们似乎通过一个更简单的一步过程关闭。
原则上，OECT的工作方式类似于电子产品中的晶体管：当打开时，它们允许电流流动。当关闭时，它们会阻止它。但是OECT通过将离子的流动与电子的流动耦合来运作，这使它们成为与化学和生物学接口的有趣途径。
这项新研究阐明了OECT在开启时所经历的两个步骤。首先，离子的波前穿过晶体管。然后，更多的含电粒子侵入晶体管的柔性结构，使其略微膨胀并使电流达到工作水平。相比之下，研究小组发现，失活是一个一步到位的过程：带电化学物质的水平只是在晶体管上均匀下降，迅速中断电流。
了解滞后的原因应该有助于科学家为更广泛的应用设计新一代OECT。
“在技术开发中，一直有这种驱动力，使组件更快、更可靠、更高效，”Ginger说。“然而，OECT行为的’规则’还没有得到很好的理解。这项工作的驱动力是学习它们并将它们应用于未来的研究和开发工作。
无论它们是否驻留在测量血糖或大脑活动的设备中，OECT主要由柔性有机半导体聚合物组成 – 复杂，富含碳化合物的重复单元 – 并浸入含有盐和其他化学物质的液体中。在这个项目中，该团队研究了响应电荷而改变颜色的OECT。这些聚合物材料由冲绳科学技术研究所的Luscombe团队和浙江大学的Li团队合成，然后由华盛顿大学的博士生Jiajie Guo和Shinya “Emerson” Chen制造成晶体管，他们是该论文的共同主要作者。
“OECT材料设计的一个挑战在于创造一种促进有效离子传输并保持电子电导率的物质，”Luscombe说，他也是威斯康星大学化学和材料科学与工程的附属教授。“离子传输需要一种柔性材料，而确保高电子电导率通常需要更坚固的结构，这给这种材料的开发带来了两难境地。
Guo和Chen在显微镜下观察，并用智能手机摄像头记录下来，精确地观察了定制OECT打开和关闭时会发生什么。它清楚地表明，两步化学过程是OECT激活滞后的核心。
过去的研究，包括威斯康星大学的Ginger小组，表明聚合物结构，特别是其柔韧性，对OECT的功能很重要。这些设备在含有化学盐和其他生物化合物的充满流体的环境中运行，与我们数字设备的电子基础相比，这些设备更加笨重。
这项新研究更进一步，更直接地将OECT的结构和绩效联系起来。根据Giridharagopal的说法，研究小组发现，活化滞后的程度应该根据OECT的材料而有所不同，例如其聚合物是更有序还是更随机排列。未来的研究可以探索如何减少或延长滞后时间，对于当前研究中的OECT来说，滞后时间是几分之一秒。
“根据你试图构建的设备类型，你可以定制成分、流体、盐、电荷载流子和其他参数以满足你的需求，”Giridharagopal说。
OECT不仅用于生物传感。它们还用于研究肌肉中的神经冲动，以及创建人工神经网络并了解我们的大脑如何存储和检索信息的计算形式。Ginger表示，这些差异很大的应用需要构建具有特殊功能的新一代OECT，包括爬坡和爬坡时间。
“现在我们正在学习实现这些应用程序所需的步骤，开发可以真正加速，”Ginger说。
郭先生现在是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员，陈先生现在是ADI公司的科学家。该论文的其他合著者是康纳·比沙克（Connor Bischak），他是前威斯康星大学化学博士后研究员，现在是犹他大学的助理教授;乔纳森·奥诺拉托（Jonathan Onorato），威斯康星大学博士校友和Exponent的科学家;以及浙江大学的Kangrong Yan和Ziqui Shen。该研究由美国国家科学基金会资助，浙江大学开发的聚合物由中国国家科学基金资助。
欲了解更多信息，请联系 [email protected] 的 Ginger、[email protected] 的 Luscombe 和 [email protected] 的 Giridharagopal。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://www.washington.edu/news/2024/04/30/oects/