Engenheiros da Universidade do Arizona verificaram experimentalmente os processos eletroquímicos que controlam a taxa de transferência de carga de um polímero orgânico para uma molécula de biomarcador, usando materiais comuns e técnicas de medição para tornar seus resultados amplamente acessíveis e reproduzíveis.

Suas descobertas, relatado em Nature Communications , vai avançar no campo da bioeletrônica orgânica, particularmente na medicina, e têm aplicações em tecnologias de armazenamento de energia, como baterias e células de combustível.

Um Desafio Natural

As reações de transferência de elétrons são processos fundamentais na biologia, química, física e engenharia em que um elétron é transferido de uma molécula para outra molécula ou substância. A transferência de elétrons conduz tudo, desde a fotossíntese e respiração até a eletrônica. A compreensão dos mecanismos e taxas dessas reações torna possível controlar a capacidade de detecção e o sinal de saída de dispositivos eletrônicos, como células solares e sensores biomédicos.

Co-autores Erin Ratcliff, professor assistente em ciência e engenharia de materiais, e a associada de pós-doutorado Melanie Rudolph demonstraram novas maneiras de alcançar seletividade para biomarcadores para projetar melhores biossensores. A seletividade é obtida pelo processamento de um polímero de forma que ele controle precisamente a taxa de transferência de carga entre ele e uma molécula biomarcadora.

A maior parte da eletrônica de hoje é feita de materiais semicondutores inorgânicos como o silício. Eles são altamente eficazes, mas caro para produzir e tem compatibilidade limitada com sistemas biológicos.

"Os materiais eletrônicos tradicionais são duros e quebradiços, e, portanto, propenso a falhas em estruturas portáteis flexíveis, "Ratcliff disse." Dispositivos eletrônicos biomédicos implantáveis ​​existentes, como desfibriladores, alcançaram um sucesso notável - mas o potencial para bioeletrônica orgânica implantável e vestível é de tirar o fôlego. "

No campo de rápido crescimento da bioeletrônica orgânica, engenheiros estão usando orgânicos, ou à base de carbono, polímeros condutores para produzir eletrônicos de baixo custo e leves, flexível e usável, e fácil de imprimir.

Essa bioeletrônica orgânica pode incluir soft, bombas de íons extensíveis e transparentes para administração de drogas; bandagens vestíveis que se concentram em um das centenas de biomarcadores no suor; ou implantes de tecido neural biológico que permitem a um amputado manipular um braço robótico, mão e dedos.

Os materiais operam por reações de transferência de carga entre os polímeros condutores orgânicos e o ambiente circundante. Essas reações são muito diferentes daquelas entre materiais inorgânicos e eletrólitos. Ao compreender melhor esses processos, os pesquisadores podem manipular as propriedades dos polímeros orgânicos para produzir dispositivos mais biocompatíveis que confundem as fronteiras entre o ser humano e a máquina.

Novo Território em Experimentação

Em seu jornal, Ratcliff e Rudolph descrevem alguns dos primeiros experimentos para testar uma teoria importante de transferência de elétrons em sistemas eletroquímicos com polímeros orgânicos.

Os pesquisadores demonstraram o modelo Marcus-Gerischer, baseado no trabalho do físico teórico e ganhador do Prêmio Nobel Rudolph Marcus e do falecido eletroquímico Heinz Gerischer. A teoria de Marcus explica as taxas de reações de transferência de elétrons de uma molécula para outra; Gerischer expandiu a teoria para explicar as reações de transferência de carga entre moléculas em solução (eletrólitos) e materiais sólidos com propriedades condutoras, como metais e semicondutores.

A pesquisa da UA resultou em duas descobertas importantes.

Primeiro, a equipe mostrou que a taxa de transferência de elétrons de um polímero para um eletrólito depende diretamente da quantidade de energia aplicada:quanto maior a voltagem aplicada, quanto mais rápida a taxa de transferência de elétrons. Este é o regime normal de transferência de carga teorizado por Marcus.

O segundo, e mais emocionante, peça para os pesquisadores foi a demonstração da teoria de Marcus de transferência de carga invertida, que afirma que à medida que a voltagem aplicada a um sistema químico aumenta, a taxa de transferência de elétrons em algum ponto diminui drasticamente.

"Em nossos experimentos, combinamos as fórmulas de Marcus e Gerischer e as aplicamos para demonstrar mas previsível, mecanismos de transferência de carga de elétrons na interface de polímeros orgânicos e eletrólitos, "Ratcliff disse." Nós produzimos quase exatamente a mesma curva invertida que esperávamos com base no modelo de Marcus-Gerischer. "

"Eu entendi a transferência de carga invertida em teoria, mas fiquei realmente surpreso ao obter esses resultados repetidas vezes no laboratório, "Rudolph disse.

Uma estrutura para pesquisas futuras

Ratcliff e Rudolph usaram uma molécula modelo, ferrocenedimethanol - um padrão de pesquisa eletroquímica - e o amplamente estudado material de polímero de película fina poli (3-hexiltiofeno), ou P3HT. Eles fixaram o polímero de película fina em uma lâmina de vidro e o expuseram a uma solução eletrolítica. Usando uma forma de espectroscopia eletroquímica, Ratcliff e Rudolph analisaram a transferência de elétrons e a distribuição de íons em microssegundos e segundos.

Suas descobertas em geral demonstram que a transferência de elétrons na interface de um polímero orgânico condutor e eletrólito é controlada diretamente pela estrutura eletrônica do polímero, uma importante diretriz de projeto para futuras aplicações de bioeletrônica orgânica.

"Sugerimos coisas para cientistas e engenheiros de materiais procurarem, usando as ferramentas da engenharia molecular, eles podem sintetizar materiais avançados para os resultados desejados, "Rudolph disse.

"Sempre que você apresenta uma estrutura fundamental para a experimentação, empurra um campo para frente, "Ratcliff acrescentou.