Transistores eletroquímicos orgânicos:Cientistas resolvem mistério químico na interface entre biologia e tecnologia
Tempos de resposta OECT. a, Resposta transitória de um modo de acumulação típico OECT (sólido) e ajuste com o modelo de Bernards (tracejado). O estágio inicial de ativação e desativação do transistor é ampliado (parte inferior) para esclarecimento. b, Tempos de resposta OECT do modo de acumulação na literatura. Cada ponto representa um par polímero-eletrólito. p, positivo ou buracos como portador eletrônico majoritário; n, negativo ou elétrons como portador eletrônico majoritário. Tempos de resposta detalhados e referências estão listados na Tabela Suplementar 1. Os tempos de resposta do dispositivo medidos neste trabalho com tensões de porta cuidadosamente escolhidas, considerando a tensão limite, são representados com símbolos de estrela e são para PB2T-TEG (0,1 M KCl), P3MEEMT ( 0,1 M KCl), P3MEEMT (0,1 M KTFSI) e P3HT (0,1 M KTFSI). Estrelas sólidas e vazias representam dispositivos operados em eletrólito KCl 0,1 M e eletrólito KTFSI 0,1 M, respectivamente. Crédito:Materiais da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01875-3 Os investigadores que pretendem colmatar a divisão entre a biologia e a tecnologia passam muito tempo a pensar na tradução entre as duas "linguagens" diferentes desses domínios.
“Nossa tecnologia digital opera através de uma série de interruptores eletrônicos que controlam o fluxo de corrente e tensão”, disse Rajiv Giridharagopal, cientista pesquisador da Universidade de Washington. "Mas nossos corpos funcionam com base na química. Em nossos cérebros, os neurônios propagam sinais eletroquimicamente, movendo íons - átomos ou moléculas carregadas - e não elétrons."
Dispositivos implantáveis, desde marca-passos até monitores de glicose, dependem de componentes que falam ambas as línguas e preenchem essa lacuna. Entre esses componentes estão os OECTs – ou transistores eletroquímicos orgânicos – que permitem que a corrente flua em dispositivos como biossensores implantáveis. Mas os cientistas sabiam há muito tempo sobre uma peculiaridade dos OECTs que ninguém conseguia explicar:quando um OECT é ligado, há um atraso antes que a corrente atinja o nível operacional desejado. Quando desligado, não há atraso. A corrente cai quase imediatamente.
Um estudo liderado pela UW resolveu esse mistério e, no processo, abriu caminho para OECTs personalizados para uma lista crescente de aplicações em biossensor, computação inspirada no cérebro e muito mais.
"A rapidez com que você pode trocar um transistor é importante para quase todas as aplicações", disse o líder do projeto David Ginger, professor de química da UW, cientista-chefe do UW Clean Energy Institute e membro do corpo docente do UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Os cientistas reconheceram o comportamento incomum de mudança dos OECTs, mas nunca soubemos a sua causa - até agora."
Em um artigo publicado na Nature Materials , a equipe de Ginger na UW - junto com a professora Christine Luscombe do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, e o professor Chang-Zhi Li, da Universidade de Zhejiang, na China - relatam que os OECTs são ativados por meio de um processo de duas etapas, o que causa o atraso . Mas eles parecem ser desligados por meio de um processo mais simples de uma etapa.
Em princípio, os OECTs operam como transistores na eletrônica:quando ligados, permitem o fluxo de corrente elétrica. Quando desligados, eles o bloqueiam. Mas os OECTs operam acoplando o fluxo de íons ao fluxo de elétrons, o que os torna rotas interessantes para a interface com a química e a biologia.
O novo estudo ilumina as duas etapas pelas quais os OECTs passam quando são ligados. Primeiro, uma frente de onda de íons percorre o transistor. Então, mais partículas portadoras de carga invadem a estrutura flexível do transistor, fazendo-o inchar ligeiramente e elevando a corrente aos níveis operacionais. Em contraste, a equipe descobriu que a desativação é um processo de uma etapa:os níveis de produtos químicos carregados simplesmente caem uniformemente no transistor, interrompendo rapidamente o fluxo de corrente.
Conhecer a causa do atraso deverá ajudar os cientistas a projetar novas gerações de OECTs para um conjunto mais amplo de aplicações.
“Sempre houve esse impulso no desenvolvimento de tecnologia para tornar os componentes mais rápidos, mais confiáveis e mais eficientes”, disse Ginger. "No entanto, as 'regras' de comportamento dos OECT não foram bem compreendidas. Uma força motriz neste trabalho é aprendê-las e aplicá-las em futuros esforços de investigação e desenvolvimento."
Quer residam em dispositivos para medir a glicose no sangue ou a atividade cerebral, os OECTs são em grande parte constituídos por polímeros semicondutores orgânicos flexíveis – unidades repetidas de compostos complexos ricos em carbono – e operam imersos em líquidos contendo sais e outros produtos químicos. Para este projeto, a equipe estudou OECTs que mudam de cor em resposta à carga elétrica. Os materiais poliméricos foram sintetizados pela equipe de Luscombe no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa e Li na Universidade de Zhejiang, e depois fabricados em transistores pelos estudantes de doutorado da UW Jiajie Guo e Shinya "Emerson" Chen, que são co-autores principais do artigo.
"Um desafio no projeto de materiais para OECTs reside na criação de uma substância que facilite o transporte eficaz de íons e retenha a condutividade eletrônica", disse Luscombe, que também é professor afiliado de química e de ciência e engenharia de materiais da UW. "O transporte de íons requer um material flexível, ao passo que garantir alta condutividade eletrônica normalmente exige uma estrutura mais rígida, representando um dilema no desenvolvimento de tais materiais."
Guo e Chen observaram sob um microscópio – e gravaram com uma câmera de smartphone – exatamente o que acontece quando os OECTs personalizados são ligados e desligados. Mostrou claramente que um processo químico de duas etapas está no cerne do atraso de ativação da OECT.
Pesquisas anteriores, inclusive do grupo de Ginger na UW, demonstraram que a estrutura do polímero, especialmente sua flexibilidade, é importante para o funcionamento dos OECTs. Esses dispositivos operam em ambientes cheios de fluidos contendo sais químicos e outros compostos biológicos, que são mais volumosos em comparação com as bases eletrônicas dos nossos dispositivos digitais.
O novo estudo vai mais longe, ligando mais diretamente a estrutura e o desempenho da OECT. A equipe descobriu que o grau de atraso de ativação deve variar com base no material de que o OECT é feito, como se seus polímeros são mais ordenados ou organizados de forma mais aleatória, de acordo com Giridharagopal. Pesquisas futuras poderiam explorar como reduzir ou prolongar os tempos de atraso, que para os OECTs no presente estudo foram frações de segundo.
"Dependendo do tipo de dispositivo que você está tentando construir, você pode adaptar a composição, o fluido, os sais, os portadores de carga e outros parâmetros para atender às suas necessidades", disse Giridharagopal.
Os OECTs não são usados apenas em biossensor. Eles também são usados para estudar impulsos nervosos nos músculos, bem como formas de computação para criar redes neurais artificiais e entender como nosso cérebro armazena e recupera informações. Essas aplicações amplamente divergentes exigem a construção de novas gerações de OECTs com recursos especializados, incluindo tempos de aceleração e desaceleração, de acordo com Ginger.
“Agora que estamos aprendendo as etapas necessárias para concretizar essas aplicações, o desenvolvimento pode realmente acelerar”, disse Ginger.
Guo é agora pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Chen é agora cientista na Analog Devices. Outros coautores do artigo são Connor Bischak, ex-pesquisador de pós-doutorado em química da UW que agora é professor assistente na Universidade de Utah; Jonathan Onorato, ex-aluno de doutorado da UW e cientista da Exponent; e Kangrong Yan e Ziqui Shen, da Universidade de Zhejiang.
