دانشمندان معمای شیمیایی را در رابطه با زیست شناسی و فناوری حل کردند

راجیو جیریداراگوپال، دانشمند پژوهشی در دانشگاه واشنگتن گفت: «فناوری دیجیتال ما از طریق یک سری کلیدهای روشن و خاموش الکترونیکی کار می کند که جریان و ولتاژ را کنترل می کنند. “اما بدن ما بر اساس شیمی عمل می کند. در مغز ما، نورون ها سیگنال ها را به صورت الکتروشیمیایی منتشر می کنند یعنی با حرکت یون ها (اتم ها یا مولکول های باردار ) نه الکترون ها.”

دستگاه‌های قابل کاشت از ضربان‌ساز گرفته تا مانیتور قند به اجزایی تکیه می‌کنند که می‌توانند به هر دو زبان صحبت کنند و این شکاف را پر کنند. در میان این اجزا، OECT ها ( یا ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی ) هستند که اجازه می دهند جریان در دستگاه هایی مانند حسگرهای زیستی قابل کاشت جریان یابد. اما دانشمندان مدت‌هاست که در مورد ویژگی‌های OECT می‌دانستند که هیچ‌کس نمی‌توانست توضیح دهد: وقتی OECT روشن می‌شود، قبل از رسیدن جریان به سطح عملیاتی مطلوب، یک تاخیر وجود دارد. وقتی خاموش است، هیچ تاخیری وجود ندارد. جریان تقریباً بلافاصله کاهش می یابد.

یک مطالعه به رهبری UW این معمای عقب مانده را حل کرده است، و در این فرآیند راه را برای OECT های سفارشی برای فهرست رو به رشدی از کاربردها در سنجش زیستی، محاسبات الهام گرفته از مغز و فراتر از آن هموار کرده است.

رهبر پروژه دیوید گینگر، استاد شیمی UW، دانشمند ارشد مؤسسه انرژی پاک UW و عضو هیئت علمی مؤسسه مهندسی و علوم مولکولی UW می‌گوید: «چقدر می‌توانید یک ترانزیستور را تغییر دهید، تقریباً برای هر کاربرد مهم است. دانشمندان رفتار سوئیچینگ غیرمعمول OECT ها را تشخیص داده اند، اما ما هرگز علت آن را نمی دانستیم — تا کنون.

در مقاله ای که در 17 آوریل در Nature Materials منتشر شد ، تیم جینجر در UW – به همراه پروفسور کریستین لوسکومب در موسسه علم و فناوری اوکیناوا در ژاپن و پروفسور چانگ ژی لی در دانشگاه ژجیانگ در چین – گزارش دادند که OECT ها فعال می شوند. از طریق یک فرآیند دو مرحله ای، که باعث تاخیر می شود. اما به نظر می رسد که آنها از طریق یک فرآیند ساده تر یک مرحله ای خاموش می شوند.

در اصل، OECT ها مانند ترانزیستورها در الکترونیک عمل می کنند: هنگامی که روشن می شوند، جریان الکتریکی را اجازه می دهند. وقتی خاموش می شود، آن را مسدود می کنند. اما OECT ها با جفت کردن جریان یون ها با جریان الکترون ها عمل می کنند که آنها را به مسیرهای جالبی برای تعامل با شیمی و زیست شناسی تبدیل می کند.

مطالعه جدید دو مرحله ای را که OECT ها هنگام روشن شدن طی می کنند را روشن می کند. اول، یک جبهه موج از یون ها در سراسر ترانزیستور حرکت می کند. سپس، ذرات باربر بیشتر به ساختار انعطاف پذیر ترانزیستور حمله می کنند و باعث می شود که آن کمی متورم شود و جریان را به سطوح عملیاتی برساند. در مقابل، تیم کشف کرد که غیرفعال‌سازی یک فرآیند یک مرحله‌ای است: سطوح مواد شیمیایی باردار به سادگی در ترانزیستور به طور یکنواخت کاهش می‌یابد و به سرعت جریان جریان را قطع می‌کند.

دانستن علت تاخیر باید به دانشمندان کمک کند تا نسل های جدیدی از OECT را برای مجموعه وسیع تری از کاربردها طراحی کنند.

جینگر گفت: “همیشه این انگیزه در توسعه فناوری وجود داشته است تا قطعات را سریعتر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر کند.” “با این حال، “قوانین” برای نحوه رفتار OECT به خوبی درک نشده است. یک نیروی محرکه در این کار یادگیری آنها و به کار بردن آنها در تلاش های تحقیق و توسعه آینده است.”

چه آنها در داخل دستگاه‌هایی برای اندازه‌گیری گلوکز خون یا فعالیت مغز قرار داشته باشند، OECT‌ها عمدتاً از پلیمرهای نیمه رسانای آلی انعطاف‌پذیر – واحدهای تکرارشونده از ترکیبات پیچیده و غنی از کربن – تشکیل شده‌اند و غوطه‌ور در مایعات حاوی نمک و سایر مواد شیمیایی کار می‌کنند. برای این پروژه، تیم OECT هایی را که در پاسخ به بار الکتریکی تغییر رنگ می دهند، مورد مطالعه قرار دادند. مواد پلیمری توسط تیم Luscombe در موسسه علم و فناوری اوکیناوا و Li’s در دانشگاه ژجیانگ سنتز شد و سپس توسط دانشجویان دکتری UW، Jiajie Guo و Shinya “Emerson” Chen که نویسندگان اصلی مقاله هستند، به ترانزیستور تبدیل شدند.

لوسکومب که همچنین استاد شیمی و مهندسی مواد وابسته به UW است، می‌گوید: «یک چالش در طراحی مواد برای OECT در ایجاد ماده‌ای است که انتقال موثر یون را تسهیل می‌کند و هدایت الکترونیکی را حفظ می‌کند. انتقال یون به یک ماده انعطاف‌پذیر نیاز دارد، در حالی که اطمینان از رسانایی الکترونیکی بالا معمولاً ساختار سفت‌تری را ضروری می‌سازد که باعث ایجاد معضلی در توسعه چنین موادی می‌شود.

گوو و چن زیر میکروسکوپ مشاهده کردند – و با دوربین گوشی هوشمند ضبط کردند – دقیقاً وقتی OECT های سفارشی روشن و خاموش می شوند چه اتفاقی می افتد. این به وضوح نشان داد که یک فرآیند شیمیایی دو مرحله ای در قلب تاخیر فعال سازی OECT نهفته است.

تحقیقات گذشته، از جمله توسط گروه جینجر در UW، نشان داد که ساختار پلیمر، به ویژه انعطاف‌پذیری آن، برای نحوه عملکرد OECT مهم است. این دستگاه‌ها در محیط‌های پر از مایع حاوی نمک‌های شیمیایی و سایر ترکیبات بیولوژیکی کار می‌کنند که در مقایسه با پایه‌های الکترونیکی دستگاه‌های دیجیتال ما حجیم‌تر هستند.

مطالعه جدید با پیوند مستقیم ساختار OECT و عملکرد فراتر می رود. طبق گفته Giridharagopal، این تیم دریافت که میزان تاخیر فعال‌سازی باید بر اساس موادی که OECT از آن ساخته شده است، متفاوت باشد، مانند اینکه آیا پلیمرهای آن مرتب‌تر یا تصادفی‌تر مرتب شده‌اند. تحقیقات آینده می تواند چگونگی کاهش یا افزایش زمان تاخیر را که برای OECT ها در مطالعه فعلی کسری از ثانیه بود، کشف کند.

Giridharagopal گفت: بسته به نوع دستگاهی که می‌خواهید بسازید، می‌توانید ترکیب، مایع، نمک، حامل‌های شارژ و سایر پارامترها را متناسب با نیاز خود تنظیم کنید.

OECT فقط در حسگر زیستی استفاده نمی شود. آنها همچنین برای مطالعه تکانه های عصبی در ماهیچه ها، و همچنین اشکال محاسباتی برای ایجاد شبکه های عصبی مصنوعی و درک نحوه ذخیره و بازیابی اطلاعات مغز ما استفاده می شوند. به گفته جینجر، این کاربردهای کاملاً متفاوت، ساخت نسل‌های جدید OECT با ویژگی‌های تخصصی، از جمله زمان‌های افزایش و کاهش را ضروری می‌کند.

جینجر گفت: «اکنون که ما در حال یادگیری مراحل مورد نیاز برای تحقق این برنامه‌ها هستیم، توسعه می‌تواند واقعاً تسریع شود.

گوو اکنون یک محقق فوق دکتری در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی است و چن اکنون دانشمندی در دستگاه های آنالوگ است. سایر نویسندگان این مقاله عبارتند از Connor Bischak، محقق سابق فوق دکتری UW در شیمی که اکنون استادیار دانشگاه یوتا است. جاناتان اونوراتو، فارغ التحصیل دکترای UW و دانشمند در Exponent. و کانگرونگ یان و زیکی شن از دانشگاه ژجیانگ. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده تامین مالی شد و پلیمرهای توسعه یافته در دانشگاه ژجیانگ توسط بنیاد ملی علوم چین تامین مالی شد.