Il problema è una fondamentale incompatibilità negli stili di comunicazione.

Tale conclusione potrebbe emergere durante il procedimento di divorzio, o descrivere una lite diplomatica. Ma gli scienziati che progettano polimeri in grado di colmare il divario biologico ed elettronico devono anche affrontare stili di messaggistica incompatibili. L'elettronica si basa su flussi di elettroni in corsa, ma lo stesso non vale per il nostro cervello.

"La maggior parte della nostra tecnologia si basa su correnti elettroniche, ma la biologia trasduce segnali con ioni, che sono atomi o molecole carichi, "ha detto David Ginger, professore di chimica all'Università di Washington e capo scienziato al Clean Energy Institute dell'UW. "Se vuoi interfacciare elettronica e biologia, hai bisogno di un materiale che comunichi efficacemente tra questi due regni."

Ginger è l'autore principale di un articolo pubblicato online il 19 giugno in Materiali della natura in cui i ricercatori UW hanno misurato direttamente un film sottile costituito da un singolo tipo di polimero coniugato, una plastica conduttrice, mentre interagiva con ioni ed elettroni. Mostrano come le variazioni nella disposizione del polimero abbiano prodotto regioni rigide e non rigide del film, e che queste regioni potrebbero ospitare elettroni o ioni, ma non entrambi allo stesso modo. Il più morbido, le aree non rigide erano scarse conduttrici di elettroni ma potevano leggermente gonfiarsi per assorbire ioni, mentre era vero il contrario per le regioni rigide.

I polimeri semiconduttori organici sono matrici complesse costituite da unità ripetitive di una molecola ricca di carbonio. Un polimero organico in grado di ospitare entrambi i tipi di conduzione, ioni ed elettroni, è la chiave per creare nuovi biosensori, impianti bioelettronici flessibili e batterie migliori. Ma le differenze di dimensioni e comportamento tra piccoli elettroni e ioni voluminosi hanno reso questo compito non facile. I loro risultati dimostrano quanto sia fondamentale la sintesi del polimero e il processo di layout per le proprietà di conduttanza elettronica e ionica del film. Le loro scoperte potrebbero persino indicare la via da seguire nella creazione di dispositivi polimerici in grado di bilanciare le esigenze del trasporto elettronico e del trasporto ionico.

"Ora comprendiamo i principi di progettazione per realizzare polimeri in grado di trasportare sia ioni che elettroni in modo più efficace, " ha detto Ginger. "Abbiamo anche dimostrato al microscopio come vedere le posizioni in questi film di polimeri morbidi in cui gli ioni vengono trasportati in modo efficace e dove non lo sono".

Il team di Ginger ha misurato le proprietà fisiche ed elettrochimiche di un film fatto di poli (3-esiltiofene), o P3HT, che è un materiale semiconduttore organico relativamente comune. L'autore principale Rajiv Giridharagopal, un ricercatore presso il Dipartimento di Chimica UW, ha sondato le proprietà elettrochimiche del film P3HT in parte prendendo in prestito una tecnica originariamente sviluppata per misurare gli elettrodi nelle batterie agli ioni di litio.

L'approccio, microscopia di deformazione elettrochimica, utilizza una sonda a forma di ago sospesa da un braccio meccanico per misurare i cambiamenti nella dimensione fisica di un oggetto con precisione a livello atomico. Giridharagopal scoprì che, quando un film P3HT è stato posto in una soluzione ionica, alcune regioni della pellicola potrebbero gonfiarsi leggermente per consentire agli ioni di fluire nella pellicola.

"Si trattava di un rigonfiamento quasi impercettibile:solo l'1% dello spessore totale del film, " disse Giridharagopal. "E usando altri metodi, abbiamo scoperto che le regioni del film che potrebbero gonfiarsi per accogliere l'ingresso di ioni avevano anche una struttura e una disposizione polimerica meno rigide".

Le regioni più rigide e cristalline del film non potrebbero gonfiarsi per far entrare gli ioni. Ma le aree rigide erano zone ideali per condurre gli elettroni.

Ginger e il suo team volevano confermare che le variazioni strutturali nel polimero erano la causa di queste variazioni nelle proprietà elettrochimiche del film. Co-autore Christine Luscombe, un professore associato UW di scienza e ingegneria dei materiali e membro del Clean Energy Institute, e il suo team ha realizzato nuovi film P3HT con diversi livelli di rigidità in base alle variazioni nella disposizione dei polimeri.

Sottoponendo questi nuovi film alla stessa serie di test, Giridharagopal ha mostrato una chiara correlazione tra la disposizione dei polimeri e le proprietà elettrochimiche. I layout polimerici meno rigidi e più amorfi hanno prodotto film che potrebbero gonfiarsi per far entrare ioni, ma erano cattivi conduttori di elettroni. Disposizioni polimeriche più cristalline hanno prodotto pellicole più rigide che potrebbero facilmente condurre elettroni. Queste misurazioni dimostrano per la prima volta che piccole differenze strutturali nel modo in cui i polimeri organici vengono elaborati e assemblati possono avere importanti conseguenze sul modo in cui il film accoglie ioni o elettroni. Può anche significare che questo compromesso tra le esigenze di ioni ed elettroni è inevitabile. Ma questi risultati danno a Ginger la speranza che un'altra soluzione sia possibile.

"L'implicazione di questi risultati è che potresti incorporare un materiale cristallino, che potrebbe trasportare elettroni, all'interno di un materiale che è più amorfo e potrebbe trasportare ioni, " disse Ginger. "Immagina di poter sfruttare il meglio dei due mondi, in modo da poter avere un materiale in grado di trasportare efficacemente gli elettroni e di gonfiarsi con l'assorbimento di ioni, e quindi accoppiare i due l'uno con l'altro".