"La nostra tecnologia digitale funziona attraverso una serie di interruttori elettronici on-off che controllano il flusso di corrente e voltaggio", ha affermato Rajiv Giridharagopal, ricercatore presso l'Università di Washington. "Ma il nostro corpo funziona in base alla chimica. Nel nostro cervello, i neuroni propagano i segnali elettrochimicamente, spostando gli ioni (atomi o molecole carichi) e non gli elettroni."

I dispositivi impiantabili, dai pacemaker ai monitor del glucosio, si basano su componenti in grado di parlare entrambe le lingue e colmare tale divario. Tra questi componenti ci sono gli OECT – o transistor elettrochimici organici – che consentono alla corrente di fluire in dispositivi come i biosensori impiantabili. Ma gli scienziati conoscevano da tempo una peculiarità degli OECT che nessuno riusciva a spiegare:quando un OECT viene acceso, c’è un ritardo prima che la corrente raggiunga il livello operativo desiderato. Quando è spento, non c'è ritardo. La corrente diminuisce quasi immediatamente.

Uno studio condotto dall'UW ha risolto questo mistero in ritardo e, nel processo, ha aperto la strada a OECT personalizzati per un elenco crescente di applicazioni nel biosensing, nel calcolo ispirato al cervello e oltre.

"La velocità con cui si può commutare un transistor è importante per quasi tutte le applicazioni", ha affermato il leader del progetto David Ginger, professore di chimica dell'UW, capo scienziato presso l'UW Clean Energy Institute e membro della facoltà dell'UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Gli scienziati hanno riconosciuto l'insolito comportamento di commutazione degli OECT, ma non ne conoscevamo mai la causa, fino ad ora."

In un articolo pubblicato su Nature Materials , Il team di Ginger all'UW, insieme alla professoressa Christine Luscombe dell'Okinawa Institute of Science and Technology in Giappone e al professor Chang-Zhi Li dell'Università di Zhejiang in Cina, riferiscono che gli OECT si attivano tramite un processo in due fasi, che causa il ritardo . Ma sembra che si spengano attraverso un processo più semplice in un unico passaggio.

In linea di principio gli OECT funzionano come i transistor nell'elettronica:quando sono accesi consentono il flusso di corrente elettrica. Quando sono spenti lo bloccano. Ma gli OECT funzionano accoppiando il flusso di ioni con il flusso di elettroni, il che li rende percorsi interessanti per l'interfacciamento con la chimica e la biologia.

Il nuovo studio illustra le due fasi che gli OECT attraversano quando vengono accesi. Innanzitutto, un fronte d'onda di ioni attraversa il transistor. Quindi, altre particelle portatrici di carica invadono la struttura flessibile del transistor, facendolo gonfiare leggermente e portando la corrente a livelli operativi. Al contrario, il team ha scoperto che la disattivazione è un processo in un'unica fase:i livelli di sostanze chimiche cariche cadono semplicemente in modo uniforme attraverso il transistor, interrompendo rapidamente il flusso di corrente.

Conoscere la causa del ritardo dovrebbe aiutare gli scienziati a progettare nuove generazioni di OECT per una serie più ampia di applicazioni.

"C'è sempre stata questa spinta nello sviluppo tecnologico per rendere i componenti più veloci, più affidabili e più efficienti", ha affermato Ginger. "Tuttavia, le 'regole' su come si comportano gli OECT non sono state ben comprese. Una forza trainante in questo lavoro è apprenderle e applicarle ai futuri sforzi di ricerca e sviluppo."

Sia che risiedano all’interno di dispositivi per misurare la glicemia o l’attività cerebrale, gli OECT sono in gran parte costituiti da polimeri semiconduttori organici flessibili – unità ripetitive di composti complessi ricchi di carbonio – e operano immersi in liquidi contenenti sali e altre sostanze chimiche. Per questo progetto, il team ha studiato gli OECT che cambiano colore in risposta alla carica elettrica. I materiali polimerici sono stati sintetizzati dal team di Luscombe presso l'Okinawa Institute of Science and Technology e da Li presso l'Università di Zhejiang, e poi fabbricati in transistor dagli studenti di dottorato della UW Jiajie Guo e Shinya "Emerson" Chen, che sono co-autori principali dell'articolo.

"Una sfida nella progettazione dei materiali per gli OECT sta nel creare una sostanza che faciliti un efficace trasporto di ioni e mantenga la conduttività elettronica", ha affermato Luscombe, che è anche professore affiliato di chimica e di scienza e ingegneria dei materiali all'UW. "Il trasporto degli ioni richiede un materiale flessibile, mentre garantire un'elevata conduttività elettronica richiede in genere una struttura più rigida, ponendo un dilemma nello sviluppo di tali materiali."

Guo e Chen hanno osservato al microscopio – e registrato con la fotocamera di uno smartphone – esattamente cosa succede quando gli OECT personalizzati vengono accesi e spenti. Ha dimostrato chiaramente che un processo chimico in due fasi è al centro del ritardo di attivazione dell'OECT.

Ricerche precedenti, anche svolte dal gruppo di Ginger presso l'UW, hanno dimostrato che la struttura del polimero, in particolare la sua flessibilità, è importante per il funzionamento degli OECT. Questi dispositivi funzionano in ambienti pieni di liquidi contenenti sali chimici e altri composti biologici, che sono più ingombranti rispetto alle basi elettroniche dei nostri dispositivi digitali.

Il nuovo studio va oltre collegando più direttamente la struttura e le prestazioni dell’OECT. Il team ha scoperto che il grado di ritardo di attivazione dovrebbe variare in base al materiale di cui è fatto l'OECT, ad esempio se i suoi polimeri sono più ordinati o disposti in modo più casuale, secondo Giridharagopal. La ricerca futura potrebbe esplorare come ridurre o allungare i tempi di ritardo, che per gli OECT nel presente studio erano frazioni di secondo.

"A seconda del tipo di dispositivo che stai cercando di costruire, potresti personalizzare la composizione, il fluido, i sali, i portatori di carica e altri parametri in base alle tue esigenze", ha affermato Giridharagopal.

Gli OECT non vengono utilizzati solo nel biosensing. Vengono utilizzati anche per studiare gli impulsi nervosi nei muscoli, nonché forme di elaborazione per creare reti neurali artificiali e comprendere come il nostro cervello memorizza e recupera le informazioni. Secondo Ginger, queste applicazioni ampiamente divergenti richiedono la creazione di nuove generazioni di OECT con caratteristiche specializzate, inclusi tempi di accelerazione e decelerazione.

"Ora che stiamo imparando i passaggi necessari per realizzare tali applicazioni, lo sviluppo può davvero accelerare", ha affermato Ginger.

Guo è ora un ricercatore post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e Chen è ora uno scienziato presso Analog Devices. Altri coautori dell'articolo sono Connor Bischak, un ex ricercatore post-dottorato in chimica della UW che ora è assistente professore presso l'Università dello Utah; Jonathan Onorato, allievo di dottorato dell'UW e scienziato presso Exponent; e Kangrong Yan e Ziqui Shen dell'Università di Zhejiang.