В течение последних пяти лет Джонатан Ривней из Северо-Западного университета заметил всплеск разработки новых органических смешанных проводников - полимерных материалов, которые могут переносить как электроны, так и ионы. Более легкие, гибкие и простые в обработке, чем их неорганические аналоги, материалы на основе углерода обещают широкий спектр применений, от медицинских устройств до накопителей энергии. Но с ростом производительности и инноваций возникает, возможно, непредвиденная проблема.
«Возьмите новые материалы, поместите их на устройство и запишите их эффективность, может быть сложно и много времени», - сказал Ривней, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе. «Но еще более сложной задачей является правильное сравнение характеристик этих новых материалов друг с другом, потому что не существует установленного метода сравнительного анализа».
Теперь Ривнай и его команда заполнили эту пустоту. Чтобы помочь исследователям определить лучшие органические смешанные проводники для конкретных приложений, Ривней и его команда разработали новую структуру для оценки и сравнения их характеристик. Этот метод не только позволяет сравнивать существующие материалы, но и может быть использован для разработки новых органических материалов.
Исследование было опубликовано онлайн в Nature Communications. Ривнай является автором-корреспондентом статьи. Сахика Инал, доцент кафедры биологических наук Университета науки и технологий имени короля Абдуллы, была первым автором статьи.
Органические проводники - это мягкие материалы, проводящие электричество. Они обещают недорогие, легкие и гибкие технологии, включая солнечные элементы, электронные схемы для печати и органические светоизлучающие диоды. Совсем недавно их способность тесно взаимодействовать с ионами и биомолекулами вызвала значительный интерес к биоинтегрированной электронике, такой как имплантируемые медицинские устройства, которые могут контролировать или регулировать сигналы внутри человеческого тела..
Однако один единственный материал не может воплотить в жизнь все эти приложения. Каждое приложение требует материала с определенным набором характеристик. Например, для сенсора может потребоваться материал с чрезвычайной чувствительностью, а для нового класса батарей может потребоваться материал, который более стабилен или имеет более высокую способность удерживать электронный заряд.
«Усилия по проектированию материалов ускорили разработку новых материалов с особыми функциями и характеристиками», - сказал Ривнай. «Но нам не хватает показателей качества, основанных на материалах, для оценки и руководства проектированием и разработкой материалов».
Чтобы решить эту проблему, Ривней и его команда обратились к органическому электрохимическому транзистору, типу транзистора, в котором ионы проходят между органическим проводником и электролитом, чтобы включать или выключать электрический ток, протекающий через устройство.. В течение последних 20 лет исследователи обычно использовали в этих устройствах ограниченный набор проводящих полимеров. Компания Rivnay заменила эти полимеры на 10 новых органических смешанных проводников.
После создания электрохимических транзисторов из 10 различных органических смешанных проводников Ривней и его команда измерили, насколько хорошо работает каждый транзистор, сравнив такие параметры, как легкость переноса ионов каждым устройством и хранения электронного заряда. Оценив характеристики каждого материала как транзистора, Rivnay легко оценила их сильные и слабые стороны.
«Мы использовали органические электрохимические транзисторы в качестве инструмента для понимания новых органических смешанных проводников», - сказал Ривней. «Этот инструмент не только позволяет нам увидеть, лучше ли один материал, чем другой, но и объясняет, почему».
Хотя Ривнай провел свои эксперименты с набором из 10 новых материалов, этот метод можно было использовать для любого количества недавно разработанных органических проводников. Затем он планирует дополнительно изучить свойства наиболее эффективных материалов среди тех, которые он тестировал.
«Мы смотрим на более многообещающие материалы и пытаемся ответить на другие вопросы, например, как сделать их более стабильными или чувствительными», - сказал Ривней. «Наша работа позволяет нам думать об этих материалах более рационально, поскольку мы нацеливаем их на такие приложения, как биозондирование».