Los científicos resuelven el misterio de la biotecnología electroquímica

SciTechDaily

Ilustración de chip de transistores 3D

Investigadores de la Universidad de Washington, junto con colaboradores internacionales, han descubierto por qué los transistores electroquímicos orgánicos (OECT), utilizados en biosensores y otros dispositivos médicos, experimentan un retraso cuando se encienden. Su estudio, que muestra que los OECT se activan mediante un proceso de dos pasos pero se desactivan mediante un método simple y rápido de un solo paso, podría allanar el camino para diseños mejorados en aplicaciones médicas y computacionales.

Una nueva investigación ha revelado que el retraso observado cuando se encienden los transistores electroquímicos orgánicos (OECT) se debe a un proceso de activación de dos pasos, lo que proporciona información fundamental para el diseño de OECT más eficientes y personalizables para diversas aplicaciones tecnológicas y biológicas.

Los investigadores que quieren cerrar la brecha entre la biología y la tecnología dedican mucho tiempo a traducir entre los dos «lenguajes» diferentes de esos campos.

«Nuestra tecnología digital funciona a través de una serie de interruptores electrónicos de encendido y apagado que controlan el flujo de corriente y voltaje», dijo Rajiv Giridharagopal, científico investigador de la Universidad de Washington. “Pero nuestros cuerpos funcionan con química. En nuestro cerebro, las neuronas transmiten señales electroquímicamente mediante iones en movimiento (átomos o moléculas cargados), no electrones.

Los dispositivos implantables, desde marcapasos hasta monitores de glucosa, dependen de componentes que pueden hablar ambos idiomas y cerrar la brecha. Entre esos componentes se encuentran los OECT (o transistores electroquímicos orgánicos) que permiten que la corriente fluya en dispositivos como los biosensores implantables. Pero los científicos conocían desde hace mucho tiempo una peculiaridad de los OECT que nadie podía explicar: cuando se enciende un OECT, hay un retraso antes de que la corriente alcance el nivel operativo deseado. Cuando se apaga, no hay demora. La corriente cae casi instantáneamente.

Un estudio dirigido por la Universidad de Washington resolvió este misterio persistente y en el proceso allanó el camino para OECT personalizados para una lista cada vez mayor de aplicaciones en biodetección, computación inspirada en el cerebro y más.

Apague una etapa para OECT

Las tres imágenes que se muestran aquí son capturas de pantalla de una cámara de microscopio que muestran el proceso de apagado de un solo paso para OECT. Las imágenes de la izquierda indican la hora. Un OECT aparece oscuro en el momento de apagarlo porque está lleno de partículas portadoras de carga, también llamadas «dopa» pura. Cuando se apaga el OECT, el número de partículas portadoras de carga cae rápidamente a través del transistor, aclarando su color. Crédito: Materiales de la naturaleza

Avances en la comprensión del funcionamiento de la OECT

«Lo importante es qué tan rápido se puede cambiar el transistor para cualquier aplicación», dijo el líder del proyecto David Ginger, profesor de química de la Universidad de Washington, científico jefe del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington y miembro de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington. «Los científicos han identificado el inusual comportamiento de conmutación de los OECT, pero hasta ahora no conocíamos la causa».

En un artículo publicado recientemente Materiales de la naturaleza, el equipo de Ginger en la Universidad de Washington, junto con la profesora Christine Luscombe del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón y el profesor Chang-Zhi Li de la Universidad de Zhejiang en China, informaron que las OECT se activan mediante un proceso de dos pasos, lo que provoca un retraso. . Pero parecen apagarse mediante un proceso simple de un solo paso.

En principio, los OECT funcionan como transistores en la electrónica: cuando se encienden, permiten que fluya la corriente. Cuando se apaga, lo bloquean. Pero los OECT funcionan combinando el flujo de iones con el flujo de electrones, lo que los convierte en formas interesantes de interactuar con la química y la biología.

Un nuevo estudio arroja luz sobre las dos etapas por las que pasan los OECT cuando se encienden. Primero, un frente de onda de iones se mueve a través del transistor. Luego, más partículas portadoras de carga invaden la estructura flexible del transistor, lo que hace que se hinche ligeramente y reduzca la corriente a niveles operativos. Por el contrario, el equipo descubrió que la pasivación es un proceso de un solo paso: los niveles de sustancias químicas cargadas caen uniformemente a lo largo del transistor, interrumpiendo rápidamente el flujo de corriente.

Active el proceso de dos pasos para OECT

Las seis imágenes que se muestran aquí son capturas de pantalla de una cámara de microscopio y muestran el proceso de activación de dos pasos para OECT. Las imágenes de la izquierda indican la hora. Cuando el OECT se enciende por primera vez, un frente negro de iones se extiende a lo largo del transistor desde el lado etiquetado «S» hasta el lado etiquetado «D». Luego, el transistor continúa oscureciéndose a medida que entran partículas adicionales con carga. Crédito: Materiales de la naturaleza

Conocer la causa del retraso ayudará a los científicos a diseñar nuevas generaciones de OECT para una gama más amplia de aplicaciones.

«Siempre existe este impulso en el desarrollo de tecnología para hacer que los componentes sean más rápidos, más confiables y más eficientes», dijo Ginger. «Sin embargo, las ‘reglas’ de cómo se comportan los OECT no se comprenden bien. Aprenderlas y aplicarlas a futuros esfuerzos de investigación y desarrollo es una fuerza impulsora en este trabajo».

Ya sea que residan en dispositivos que miden la glucosa en sangre o la actividad cerebral, los OECT a menudo están hechos de polímeros semiconductores orgánicos flexibles (las unidades repetidas de compuestos complejos ricos en carbono) y funcionan sumergidos en fluidos que contienen sales y otras sustancias químicas. Para este proyecto, el equipo estudió OECT que cambian de color en respuesta a una carga eléctrica. Los materiales poliméricos fueron sintetizados por el equipo de Luscombe en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa y Liss en la Universidad de Zhejiang y luego fabricados en transistores por los estudiantes de doctorado de la Universidad de Washington Jiaji Guo y Shinya «Emerson» Chen, coautores principales del artículo.

«El desafío en el diseño de materiales para OECT radica en crear un material que facilite el transporte eficiente de iones y conserve la conductividad electrónica», dijo Luscombe, quien también es profesor asociado de química y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. «El transporte de iones requiere un material flexible, pero para garantizar una alta conductividad electrónica normalmente se requiere una estructura más rígida, lo que crea un dilema en el desarrollo de dichos materiales».

Guo y Chen observaron bajo un microscopio (y grabaron con la cámara de un teléfono inteligente) exactamente lo que sucede cuando los OECT personalizados se encienden y apagan. Mostró claramente que un proceso químico de dos pasos es la base del retraso de la activación de OECT.

Investigaciones anteriores, incluida la del grupo de Zinger en la Universidad de Washington, han demostrado que la estructura del polímero, especialmente su flexibilidad, es importante para el funcionamiento de las OECT. Estos dispositivos funcionan en entornos llenos de fluidos que contienen sales químicas y otros compuestos biológicos, que son mucho más voluminosos en comparación con las bases electrónicas de nuestros dispositivos digitales.

Direcciones y aplicaciones futuras

Un nuevo estudio va más allá al vincular directamente la estructura y el rendimiento de la OECT. Según Giridharagopal, el equipo descubrió que el grado de retraso de activación debería variar según el material del que esté hecho un OECT, por ejemplo, si sus polímeros están más ordenados o más alineados al azar. Investigaciones futuras podrían explorar cómo disminuir o aumentar el tiempo de retraso, que fue de fracciones de segundo para los OECT en el presente estudio.

«Dependiendo del tipo de dispositivo que intente construir, la composición, el líquido, las sales, los portadores de carga y otros parámetros se pueden adaptar a sus necesidades», dijo Giridharagopal.

Los OECT no sólo se utilizan en biodetección. También se utilizan para estudiar los impulsos nerviosos en los músculos, así como formas de computación para crear redes neuronales artificiales y comprender cómo nuestro cerebro almacena y recupera información. Según Ginger, estas aplicaciones tan diferentes requieren la construcción de una nueva generación de OECT con características especiales, incluidos tiempos de aceleración y desaceleración.

«Ahora que estamos aprendiendo los pasos necesarios para realizar esas aplicaciones, el desarrollo realmente puede acelerarse», afirmó Ginger.

Referencia: Jiaji Guo, Shinya E. Chen, Rajeev Giridharagopal, Connor G. Bischuk, Jonathan W. «Comprensión de la sincronización de conmutación asimétrica en transistores electroquímicos orgánicos en modo de acumulación» por Onorato, Kangrong Yan, Jiqiu Shen, Chang-Zhi Li, Chang-Zhi Li, Christine Kezi Li, Jiaji Guo. Luscombe y David S. Jengibre, 17 de abril de 2024, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01875-3

Guo es ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Chen es ahora científico en Analog Devices. Otros coautores del artículo son Connor Bischak, ex investigador postdoctoral en química de la Universidad de Washington que ahora es profesor asistente en la Universidad de Utah; Jonathan Onorato, alumno de doctorado de la Universidad de Washington y científico de Exponent; y Kangrong Yan y Jiki Shen de la Universidad de Zhejiang. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y los polímeros desarrollados en la Universidad de Zhejiang fueron financiados por la Fundación Nacional de Ciencias de China.

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