发布时间：2024-05-28 16:54:25 栏目：精选知识
想要弥合生物学和技术之间鸿沟的研究人员花费大量时间思考如何在这两个领域的不同“语言”之间进行翻译。
华盛顿大学研究科学家拉吉夫·吉里达拉戈帕尔 (Rajiv Giridharagopal)表示：“我们的数字技术通过一系列控制电流和电压的电子开关来运作。但我们的身体依靠化学反应运作。在我们的大脑中，神经元通过移动离子(带电原子或分子)而不是电子来电化学传播信号。”
从心脏起搏器到血糖监测仪等植入式设备都依赖于能够使用两种语言并弥补这一差距的组件。这些组件包括 OECT(有机电化学晶体管)，它们允许电流在植入式生物传感器等设备中流动。但科学家早就知道 OECT 的一个怪癖，但没有人能解释：当 OECT 开启时，电流在达到所需的工作水平之前会有一个滞后。当关闭时，没有滞后。电流几乎立即下降。
华盛顿大学牵头的一项研究解决了这一滞后谜团，并在此过程中为定制 OECT 铺平了道路，使其能够应用于生物传感、脑启发计算等领域。
“晶体管的开关速度对几乎所有应用都很重要，”项目负责人、华盛顿大学化学教授、华盛顿大学清洁能源研究所首席科学家、华盛顿大学分子工程与科学研究所教员David Ginger说道。“科学家们已经认识到 OECT 的异常开关行为，但我们从未知道其原因——直到现在。”
在4 月 17 日发表于《自然材料》杂志的一篇论文中，华盛顿大学的 Ginger 团队与日本冲绳科学技术研究所的Christine Luscombe教授以及中国浙江大学的李昌志教授共同报告称，OECT 通过两步过程开启，这会导致滞后。但它们似乎通过更简单的一步过程关闭。
原则上，OECT 的工作原理类似于电子器件中的晶体管：打开时，它们允许电流流动。关闭时，它们会阻止电流流动。但 OECT 的工作原理是将离子流与电子流耦合，这使得它们成为与化学和生物学交互的有趣途径。
这项新研究阐明了 OECT 开启时经历的两个步骤。首先，离子波前穿过晶体管。然后，更多带电粒子侵入晶体管的柔性结构，导致其略微膨胀，并将电流提升至工作水平。相比之下，该团队发现失活是一个一步到位的过程：带电化学物质的水平只是均匀地下降到晶体管的各个部分，迅速中断电流的流动。
了解滞后的原因应该有助于科学家设计新一代 OECT 以用于更广泛的应用。
“技术开发中始终存在着让组件更快、更可靠、更高效的动力，”金杰说。“然而，OECT 行为的‘规则’尚未得到很好的理解。这项工作的驱动力是学习它们并将它们应用于未来的研究和开发工作。”
无论是用于测量血糖还是脑活动的设备，OECT 主要由柔性有机半导体聚合物(复杂的富碳化合物的重复单元)组成，并浸入含有盐和其他化学物质的液体中运行。在这个项目中，该团队研究了响应电荷而变色的 OECT。聚合物材料由冲绳科学技术研究所的 Luscombe 团队和浙江大学的 Li 团队合成，然后由华盛顿大学博士生 Jiajie Guo 和 Shinya “Emerson” Chen 制成晶体管，他们是该论文的共同主要作者。
“OECT 材料设计的一大挑战是创造一种既能促进离子有效传输又能保持电子导电性的物质，”Luscombe 说道，他也是华盛顿大学化学系和材料科学与工程系的副教授。“离子传输需要一种柔性材料，而确保高电子导电性通常需要更坚固的结构，这给此类材料的开发带来了难题。”
郭和陈在显微镜下观察了定制 OECT 开启和关闭时发生的精确情况，并用智能手机相机记录了下来。这清楚地表明，两步化学过程是 OECT 激活滞后的核心。
包括华盛顿大学金杰团队在内的过去研究都表明，聚合物结构，尤其是其柔韧性，对 OECT 的功能至关重要。这些设备在充满液体的环境中运行，其中含有化学盐和其他生物化合物，与我们的数字设备的电子基础相比，这些设备体积更大。
这项新研究更进一步，更直接地将 OECT 结构与性能联系起来。Giridharagopal 表示，研究小组发现激活滞后的程度应该根据 OECT 的材质而有所不同，例如其聚合物是更有序还是更随机排列。未来的研究可以探索如何减少或延长滞后时间，对于当前研究中的 OECT 来说，滞后时间是几分之一秒。
Giridharagopal 说道：“根据您要构建的设备类型，您可以定制成分、流体、盐、电荷载体和其他参数以满足您的需求。”
OECT 不仅仅用于生物传感。它们还用于研究肌肉中的神经冲动，以及用于创建人工神经网络和了解大脑如何存储和检索信息的计算形式。Ginger 表示，这些截然不同的应用需要构建具有特殊功能的新一代 OECT，包括加速和减速时间。
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