El problema es una incompatibilidad fundamental en los estilos de comunicación.

Esa conclusión podría surgir durante el proceso de divorcio, o describir una disputa diplomática. Pero los científicos que diseñan polímeros que puedan salvar la brecha biológica y electrónica también deben lidiar con estilos de mensajería incompatibles. La electrónica se basa en corrientes de electrones de carreras, pero no ocurre lo mismo con nuestro cerebro.

"La mayor parte de nuestra tecnología se basa en corrientes electrónicas, pero la biología transduce señales con iones, que son átomos o moléculas cargados, "dijo David Ginger, profesor de química en la Universidad de Washington y científico jefe del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington. "Si desea conectar la electrónica y la biología, necesita un material que se comunique eficazmente a través de esos dos reinos ".

Ginger es el autor principal de un artículo publicado en línea el 19 de junio en Materiales de la naturaleza en el que los investigadores de la Universidad de Washington midieron directamente una película delgada hecha de un solo tipo de polímero conjugado, un plástico conductor, mientras interactuaba con iones y electrones. Muestran cómo las variaciones en el diseño del polímero produjeron regiones rígidas y no rígidas de la película, y que estas regiones podrían acomodar electrones o iones, pero no ambos por igual. El más suave, las áreas no rígidas eran malos conductores de electrones, pero podían hincharse sutilmente para absorber iones, mientras que lo contrario fue cierto para las regiones rígidas.

Los polímeros semiconductores orgánicos son matrices complejas hechas de unidades repetidas de una molécula rica en carbono. Un polímero orgánico que pueda acomodar ambos tipos de conducción, iones y electrones, es la clave para crear nuevos biosensores. Implantes bioelectrónicos flexibles y mejores baterías. Pero las diferencias de tamaño y comportamiento entre electrones diminutos e iones voluminosos han hecho que esta no sea una tarea fácil. Sus resultados demuestran cuán crítico es el proceso de síntesis y diseño de polímeros para las propiedades de conductancia electrónica e iónica de la película. Sus hallazgos pueden incluso señalar el camino a seguir en la creación de dispositivos poliméricos que puedan equilibrar las demandas del transporte electrónico y el transporte de iones.

"Ahora entendemos los principios de diseño para fabricar polímeros que puedan transportar tanto iones como electrones de manera más eficaz, ", dijo Ginger." Incluso demostramos por microscopía cómo ver las ubicaciones en estas películas de polímero blando donde los iones se transportan de manera efectiva y donde no ".

El equipo de Ginger midió las propiedades físicas y electroquímicas de una película hecha de poli (3-hexiltiofeno), o P3HT, que es un material semiconductor orgánico relativamente común. Autor principal Rajiv Giridharagopal, un científico investigador en el Departamento de Química de la Universidad de Washington, investigó las propiedades electroquímicas de la película P3HT en parte tomando prestada una técnica desarrollada originalmente para medir electrodos en baterías de iones de litio.

El enfoque, microscopía de deformación electroquímica, utiliza una sonda con forma de aguja suspendida por un brazo mecánico para medir los cambios en el tamaño físico de un objeto con precisión a nivel atómico. Giridharagopal descubrió que, cuando se colocó una película de P3HT en una solución de iones, ciertas regiones de la película podrían hincharse sutilmente para permitir que los iones fluyan hacia la película.

"Esta fue una hinchazón casi imperceptible:solo el 1 por ciento del espesor total de la película, "dijo Giridharagopal." Y usando otros métodos, descubrimos que las regiones de la película que podían hincharse para adaptarse a la entrada de iones también tenían una estructura y una disposición de polímero menos rígidas ".

Las regiones más rígidas y cristalinas de la película no podían hincharse para dejar entrar iones. Pero las áreas rígidas eran parches ideales para la conducción de electrones.

Ginger y su equipo querían confirmar que las variaciones estructurales en el polímero eran la causa de estas variaciones en las propiedades electroquímicas de la película. Coautora Christine Luscombe, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de la UW y miembro del Clean Energy Institute, y su equipo fabricó nuevas películas P3HT que tenían diferentes niveles de rigidez en función de las variaciones en la disposición de los polímeros.

Al someter estas nuevas películas a la misma serie de pruebas, Giridharagopal mostró una clara correlación entre la disposición de los polímeros y las propiedades electroquímicas. Los diseños de polímeros menos rígidos y más amorfos produjeron películas que podrían hincharse para dejar entrar iones, pero eran malos conductores de electrones. Los arreglos de polímeros más cristalinos produjeron películas más rígidas que podrían conducir electrones fácilmente. Estas mediciones demuestran por primera vez que las pequeñas diferencias estructurales en cómo se procesan y ensamblan los polímeros orgánicos pueden tener consecuencias importantes en la forma en que la película acomoda iones o electrones. También puede significar que esta compensación entre las necesidades de iones y electrones es inevitable. Pero estos resultados le dan a Ginger la esperanza de que es posible otra solución.

"La implicación de estos hallazgos es que posiblemente podría incrustar un material cristalino, que podría transportar electrones, dentro de un material que es más amorfo y podría transportar iones, "dijo Ginger." Imagina que puedes aprovechar lo mejor de ambos mundos, de modo que podría tener un material que sea capaz de transportar electrones de manera efectiva e hincharse con la absorción de iones, y luego acoplar los dos entre sí ".