Gli ingegneri dell'Università dell'Arizona hanno verificato sperimentalmente i processi elettrochimici che controllano la velocità di trasferimento di carica da un polimero organico a una molecola di biomarcatore, utilizzando materiali comuni e tecniche di misurazione per rendere i loro risultati ampiamente accessibili e riproducibili.

Le loro scoperte, segnalato in Comunicazioni sulla natura , farà avanzare il campo della bioelettronica organica, in particolare in medicina, e avere applicazioni per le tecnologie di accumulo di energia, come batterie e celle a combustibile.

Una sfida naturale

Le reazioni di trasferimento di elettroni sono processi fondamentali in biologia, chimica, fisica e ingegneria in cui un elettrone viene trasferito da una molecola a un'altra molecola o sostanza. Il trasferimento di elettroni guida tutto, dalla fotosintesi e la respirazione all'elettronica. Comprendere i meccanismi e le velocità di queste reazioni rende possibile controllare la capacità di rilevamento e il segnale di uscita dei dispositivi elettronici, come celle solari e sensori biomedici.

Co-autori Erin Ratcliff, professore assistente in scienze e ingegneria dei materiali, e l'associata post-dottorato Melanie Rudolph hanno dimostrato nuovi modi per ottenere selettività per i biomarcatori per la progettazione di biosensori migliori. La selettività si ottiene elaborando un polimero in modo tale da controllare con precisione la velocità di trasferimento di carica tra se stesso e una molecola di biomarcatore.

La maggior parte dell'elettronica di oggi è realizzata con materiali semiconduttori inorganici come il silicio. sono molto efficaci, ma costosi da produrre e hanno una compatibilità limitata con i sistemi biologici.

"I materiali elettronici tradizionali sono duri e fragili, e quindi soggetto a cedimenti in strutture indossabili flessibili, "Ha detto Ratcliff. "I dispositivi elettronici biomedici impiantabili esistenti come i defibrillatori hanno ottenuto un notevole successo, ma il potenziale della bioelettronica organica indossabile e impiantabile è mozzafiato".

Nel campo in rapida crescita della bioelettronica organica, gli ingegneri utilizzano prodotti organici, o a base di carbonio, polimeri conduttivi per produrre elettronica a basso costo e leggera, flessibile e indossabile, e facile da stampare.

Tale bioelettronica organica potrebbe includere soft, pompe ioniche estensibili e trasparenti per la somministrazione di farmaci; bende indossabili che si concentrano su uno delle centinaia di biomarcatori nel sudore; o impianti di tessuto neurale biologico che consentono a un amputato di manipolare un braccio robotico, mano e dita.

I materiali operano mediante reazioni di trasferimento di carica tra i polimeri conduttivi organici e l'ambiente circostante. Queste reazioni sono molto diverse da quelle tra materiali inorganici ed elettroliti. Comprendendo meglio questi processi, i ricercatori possono manipolare le proprietà dei polimeri organici per produrre dispositivi più biocompatibili che offuscano i confini tra uomo e macchina.

Nuovo Territorio in Sperimentazione

Nella loro carta, Ratcliff e Rudolph descrivono alcuni dei primi esperimenti per testare una teoria leader del trasferimento di elettroni nei sistemi elettrochimici con polimeri organici.

I ricercatori hanno dimostrato il modello di Marcus-Gerischer, basato sul lavoro del fisico teorico e vincitore del premio Nobel Rudolph Marcus e del compianto elettrochimico Heinz Gerischer. La teoria di Marcus spiega le velocità delle reazioni di trasferimento di elettroni da una molecola all'altra; Gerischer ha ampliato la teoria per spiegare le reazioni di trasferimento di carica tra molecole in soluzione (elettroliti) e materiali solidi con proprietà conduttive, come metalli e semiconduttori.

La ricerca UA ha portato a due risultati chiave.

Primo, il team ha dimostrato che la velocità di trasferimento degli elettroni da un polimero a un elettrolita dipende direttamente dalla quantità di energia applicata:maggiore è la tensione applicata, maggiore è la velocità di trasferimento degli elettroni. Questo è il normale regime di trasferimento di carica teorizzato da Marcus.

Il secondo, e più eccitante, pezzo per i ricercatori era la loro dimostrazione della teoria di Marcus del trasferimento di carica invertito, che afferma che all'aumentare della tensione applicata a un sistema chimico, la velocità di trasferimento degli elettroni ad un certo punto rallenta drasticamente.

"Nei nostri esperimenti, abbiamo combinato le formule di Marcus e Gerischer e le abbiamo applicate per dimostrare unico, ma prevedibile, meccanismi di trasferimento di carica elettronica all'interfaccia di polimeri organici ed elettroliti, "Ha detto Ratcliff. "Abbiamo prodotto quasi esattamente la stessa curva invertita che ci aspettavamo sulla base del modello Marcus-Gerischer".

"Ho capito il trasferimento di carica invertito in teoria, ma sono stato davvero sorpreso di ottenere questi risultati ancora e ancora in laboratorio, " disse Rodolfo.

Un quadro per la ricerca futura

Ratcliff e Rudolph hanno usato una molecola modello, ferrocenedimetanolo - uno standard di ricerca elettrochimica - e il materiale polimerico a film sottile ampiamente studiato poli-(3-esiltiofene), o P3HT. Hanno fissato il polimero a film sottile su un vetrino e lo hanno esposto a una soluzione elettrolitica. Utilizzando una forma di spettroscopia elettrochimica, Ratcliff e Rudolph hanno analizzato il trasferimento di elettroni e la distribuzione degli ioni in microsecondi e secondi.

Le loro scoperte nel complesso dimostrano che il trasferimento di elettroni all'interfaccia di un polimero organico conduttivo e di un elettrolita è controllato direttamente dalla struttura elettronica del polimero, un'importante linea guida di progettazione per le future applicazioni di bioelettronica organica.

"Suggeriamo cose da cercare per scienziati e ingegneri dei materiali, quindi, utilizzando gli strumenti dell'ingegneria molecolare, possono sintetizzare materiali avanzati per i risultati desiderati, " disse Rodolfo.

"Ogni volta che ti viene in mente un quadro fondamentale per la sperimentazione, spinge un campo in avanti, " ha aggiunto Ratcliff.