חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון, יחד עם משתפי פעולה בינלאומיים, גילו מדוע טרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים (OECTs) המשמשים בחיישנים ביולוגיים ומכשירים רפואיים אחרים חווים עיכוב כאשר הם מופעלים. המחקר שלהם, שמראה ש-OECT מופעלים באמצעות תהליך דו-שלבי אך מתבטלים באמצעות שיטה פשוטה ומהירה יותר של צעד אחד, סולל את הדרך לעיצובים משופרים ביישומים רפואיים וחישוביים.
מחקר חדש גילה שהפיגור שנצפה בטרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים (OECTs) כשהם מופעלים נובע מתהליך הפעלה דו-שלבי, המספק תובנות חיוניות לתכנון OECTs יעיל יותר וניתן להתאמה אישית עבור יישומים טכנולוגיים וביולוגיים שונים.
חוקרים שרוצים לגשר על הפער בין ביולוגיה לטכנולוגיה מבלים זמן רב במחשבה על תרגום בין שתי ה"שפות" השונות של המחוזות הללו.
"הטכנולוגיה הדיגיטלית שלנו פועלת באמצעות סדרה של מתגי הדלקה-כיבוי אלקטרוניים השולטים בזרימת הזרם והמתח", אמר רג'יב ג'ירידהראגופאל, מדען מחקר מאוניברסיטת וושינגטון. "אבל הגוף שלנו פועל על ידי כימיה. במוח שלנו, נוירונים מפיצים אותות אלקטרוכימית, על ידי הזזת יונים – אטומים או מולקולות טעונים – לא אלקטרונים".
מכשירים ניתנים להשתלה מקוצבי לב ועד למוניטורים של גלוקוז מסתמכים על רכיבים שיכולים לדבר בשתי השפות ולגשר על הפער הזה. בין הרכיבים הללו נמצאים OECTs – או טרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים – המאפשרים לזרום לזרם במכשירים כמו חיישנים ביולוגיים מושתלים. אבל מדענים ידעו זמן רב על מוזרות של OECTs שאיש לא יכול היה להסביר: כאשר OECT מופעל, יש פיגור לפני שהזרם מגיע לרמה התפעולית הרצויה. כאשר הוא כיבוי, אין פיגור. הזרם יורד כמעט מיד.
מחקר בהנחיית UW פתר את התעלומה המפגרת הזו, ותוך כדי כך סלל את הדרך ל-OECT מותאמים אישית לרשימה הולכת וגדלה של יישומים בחישה ביולוגית, חישוב בהשראת המוח, ומעבר לכך.
שלוש התמונות המוצגות כאן הן צילומי מסך של מצלמות מיקרוסקופ, המציגות את תהליך הכיבוי של OECT בשלב אחד. איורים משמאל מציינים זמן. ה-OECT נראה חשוך ברגע הכיבוי מכיוון שהוא עמוס בחלקיקים נושאי מטען – הידוע גם כ"מסומם" במלואו. כאשר ה-OECT כבוי, מספר החלקיקים נושאי המטען יורד במהירות על פני הטרנזיסטור, מה שמבהיר את צבעו. קרדיט: Nature Materials
פריצת דרך בהבנת פעולת OECT
"המהירות שבה אתה יכול להחליף טרנזיסטור חשובה כמעט לכל יישום", אמר מנהיג הפרויקט דיוויד ג'ינג'ר, פרופסור לכימיה ב-UW, מדען ראשי במכון לאנרגיה נקייה של UW וחבר סגל במכון להנדסה מולקולרית ומדעים של UW. "מדענים זיהו את התנהגות ההחלפה החריגה של OECTs, אבל מעולם לא ידענו את הסיבה לכך – עד עכשיו."
במאמר שפורסם לאחרונה ב חומרי טבע, הצוות של ג'ינג'ר ב-UW – יחד עם פרופסור כריסטין לוסקום במכון למדע וטכנולוגיה של אוקינאווה ביפן ופרופסור צ'אנג-ז'י לי באוניברסיטת ג'ג'יאנג בסין – מדווחים כי OECTs מופעלים באמצעות תהליך דו-שלבי, שגורם לפיגור . אבל נראה שהם נכבים באמצעות תהליך פשוט יותר של שלב אחד.
באופן עקרוני, OECTs פועלים כמו טרנזיסטורים באלקטרוניקה: כשהם מופעלים, הם מאפשרים זרימת זרם חשמלי. כשהם מכבים, הם חוסמים אותו. אבל OECTs פועלים על ידי צימוד זרימת יונים עם זרימת אלקטרונים, מה שהופך אותם למסלולים מעניינים להתממשקות עם כימיה וביולוגיה.
המחקר החדש מאיר את שני השלבים שעוברים OECTs כשהם מופעלים. ראשית, חזית גל של יונים דוהרת על פני הטרנזיסטור. לאחר מכן, יותר חלקיקים נושאי מטען פולשים למבנה הגמיש של הטרנזיסטור, וגורמים לו להתנפח מעט ולהעלות את הזרם לרמות תפעוליות. לעומת זאת, הצוות גילה כי השבתה היא תהליך חד-שלבי: רמות הכימיקלים הטעונים פשוט יורדות באופן אחיד על פני הטרנזיסטור, ומפריעות במהירות את זרימת הזרם.
שש התמונות המוצגות כאן הן צילומי מסך של מצלמות מיקרוסקופ, המציגות את תהליך ההפעלה הדו-שלבי עבור OECT. איורים משמאל מציינים זמן. כאשר ה-OECT מופעל לראשונה, חזית כהה של יונים מתפשטת על פני הטרנזיסטור מהצד המסומן "S" לצד המסומן "D". לאחר מכן, הטרנזיסטור ממשיך להתכהות כאשר חלקיקים נושאי מטען נוספים נכנסים פנימה. קרדיט: Nature Materials
הכרת הסיבה לפיגור אמורה לעזור למדענים לעצב דורות חדשים של OECTs עבור קבוצה רחבה יותר של יישומים.
"תמיד היה הדחף הזה בפיתוח טכנולוגי להפוך רכיבים למהירים יותר, אמינים יותר ויעילים יותר", אמר ג'ינג'ר. "עם זאת, ה'כללים' לאופן שבו OECT מתנהגים לא הובנו היטב. כוח מניע בעבודה זו הוא ללמוד אותם וליישם אותם במאמצי מחקר ופיתוח עתידיים".
בין אם הם שוכנים בתוך מכשירים למדידת גלוקוז בדם או פעילות המוח, OECTs מורכבים ברובם מפולימרים מוליכים למחצה גמישים ואורגניים – יחידות חוזרות של תרכובות מורכבות ועשירות בפחמן – ופועלים שקועים בנוזלים המכילים מלחים וכימיקלים אחרים. עבור פרויקט זה, הצוות חקר OECTs שמשנים צבע בתגובה למטען חשמלי. החומרים הפולימריים יוצרו על ידי הצוות של לוסקומב במכון אוקינאווה למדע וטכנולוגיה ולי'ס באוניברסיטת ג'ג'יאנג, ולאחר מכן יוצרו לטרנזיסטורים על ידי הדוקטורנטים של UW Jiajie Guo ו-Shinya "Emerson" Chen, שהם מחברים מובילים במסמך.
"אתגר בתכנון החומרים עבור OECTs טמון ביצירת חומר המאפשר הובלת יונים יעילה ושומר על מוליכות אלקטרונית", אמר לוסקומב, שהוא גם פרופסור לכימיה ולמדעי החומרים והנדסת UW. "הובלת יונים דורשת חומר גמיש, בעוד שהבטחת מוליכות אלקטרונית גבוהה מחייבת בדרך כלל מבנה קשיח יותר, מה שמציב דילמה בפיתוח חומרים כאלה."
גואו וצ'ן צפו תחת מיקרוסקופ – והקליטו במצלמת סמארטפון – בדיוק מה קורה כאשר ה-OECTs שנבנו בהתאמה אישית מופעלים ומכבים. זה הראה בבירור שתהליך כימי דו-שלבי נמצא בלב פיגור ההפעלה של OECT.
מחקרים קודמים, כולל על ידי קבוצתו של ג'ינג'ר ב-UW, הוכיחו שמבנה הפולימר, במיוחד הגמישות שלו, חשוב לאופן פעולתם של OECTs. מכשירים אלה פועלים בסביבות מלאות נוזלים המכילות מלחים כימיים ותרכובות ביולוגיות אחרות, שהן מגושמות יותר בהשוואה לבסיס האלקטרוני של המכשירים הדיגיטליים שלנו.
כיוונים ויישומים עתידיים
המחקר החדש הולך רחוק יותר על ידי קישור ישיר יותר של מבנה OECT וביצועים. הצוות מצא שמידת השהיית ההפעלה צריכה להשתנות על סמך החומר שממנו עשוי ה-OECT, כגון האם הפולימרים שלו מסודרים יותר או מסודרים באופן אקראי יותר, לפי Giridharagopal. מחקר עתידי יכול לחקור כיצד להפחית או להאריך את זמני ההשהיה, אשר עבור OECTs במחקר הנוכחי היו שברירי שנייה.
"בהתאם לסוג המכשיר שאתה מנסה לבנות, אתה יכול להתאים את הרכב, הנוזל, המלחים, נושאי המטען ופרמטרים אחרים כדי להתאים לצרכים שלך," אמר Giridharagopal.
OECTs לא משמשים רק בחישה ביולוגית. הם משמשים גם לחקר דחפים עצביים בשרירים, כמו גם צורות מחשוב ליצירת רשתות עצביות מלאכותיות ולהבין כיצד המוח שלנו מאחסן ומחזיר מידע. יישומים מגוונים אלה מחייבים בניית דורות חדשים של OECTs עם תכונות מיוחדות, כולל זמני הגדלה והפחתה, לפי ג'ינג'ר.
"עכשיו, כשאנחנו לומדים את השלבים הדרושים למימוש יישומים אלה, הפיתוח יכול להאיץ באמת", אמר ג'ינג'ר.
גואו הוא כעת חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי וצ'ן הוא כעת מדען ב- Analog Devices. מחברים אחרים במאמר הם קונור בישאק, חוקר פוסט-דוקטורט בכימיה לשעבר באוניברסיטת יוטה, שכיום הוא עוזר פרופסור באוניברסיטת יוטה; ג'ונתן אונוראטו, בוגר דוקטורט ומדען ב-Exponent; וקאנגרונג יאן וזיקי שן מאוניברסיטת ג'ג'יאנג. המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב, ופולימרים שפותחו באוניברסיטת ג'ג'יאנג מומנו על ידי הקרן הלאומית למדע של סין.
