Le problème est une incompatibilité fondamentale dans les styles de communication.

Cette conclusion pourrait surgir au cours d'une procédure de divorce, ou décrire une dispute diplomatique. Mais les scientifiques qui conçoivent des polymères capables de combler le fossé biologique et électronique doivent également faire face à des styles de messagerie incompatibles. L'électronique repose sur des flux d'électrons de course, mais il n'en est pas de même pour notre cerveau.

"La plupart de nos technologies reposent sur des courants électroniques, mais la biologie transduit des signaux avec des ions, qui sont des atomes ou des molécules chargés, " a déclaré David Ginger, professeur de chimie à l'Université de Washington et scientifique en chef au Clean Energy Institute de l'UW. « Si vous voulez interfacer l'électronique et la biologie, vous avez besoin d'un matériel qui communique efficacement entre ces deux domaines."

Ginger est l'auteur principal d'un article publié en ligne le 19 juin dans Matériaux naturels dans lequel les chercheurs de l'UW ont mesuré directement un film mince constitué d'un seul type de polymère conjugué - un plastique conducteur - alors qu'il interagissait avec des ions et des électrons. Ils montrent comment les variations dans la disposition du polymère ont donné des régions rigides et non rigides du film, et que ces régions pourraient accueillir des électrons ou des ions - mais pas les deux également. Le plus doux, les zones non rigides étaient de mauvais conducteurs d'électrons mais pouvaient gonfler subtilement pour absorber les ions, alors que l'inverse était vrai pour les régions rigides.

Les polymères semi-conducteurs organiques sont des matrices complexes constituées d'unités répétitives d'une molécule riche en carbone. Un polymère organique qui peut s'adapter aux deux types de conduction - ions et électrons - est la clé pour créer de nouveaux biocapteurs, implants bioélectroniques flexibles et de meilleures batteries. Mais les différences de taille et de comportement entre les électrons minuscules et les ions volumineux ont rendu cette tâche difficile. Leurs résultats démontrent à quel point le processus de synthèse et de mise en page du polymère est critique pour les propriétés de conductance électronique et ionique du film. Leurs découvertes pourraient même ouvrir la voie à la création de dispositifs polymères capables d'équilibrer les exigences du transport électronique et du transport ionique.

« Nous comprenons maintenant les principes de conception pour fabriquer des polymères capables de transporter à la fois des ions et des électrons plus efficacement, ", a déclaré Ginger. "Nous démontrons même par microscopie comment voir les emplacements dans ces films de polymère souple où les ions se transportent efficacement et où ils ne le sont pas."

L'équipe de Ginger a mesuré les propriétés physiques et électrochimiques d'un film en poly(3-hexylthiophène), ou P3HT, qui est un matériau semi-conducteur organique relativement courant. Auteur principal Rajiv Giridharagopal, chercheur au département de chimie de l'UW, a sondé les propriétés électrochimiques du film P3HT en partie en empruntant une technique développée à l'origine pour mesurer les électrodes dans les batteries lithium-ion.

L'approche, microscopie électrochimique à contrainte, utilise une sonde en forme d'aiguille suspendue par un bras mécanique pour mesurer les changements de la taille physique d'un objet avec une précision de niveau atomique. Giridharagopal a découvert que, lorsqu'un film de P3HT a été placé dans une solution ionique, certaines régions du film pourraient gonfler subtilement pour laisser les ions s'écouler dans le film.

"Il s'agissait d'un gonflement presque imperceptible - seulement 1% de l'épaisseur totale du film, " dit Giridharagopal. " Et en utilisant d'autres méthodes, nous avons découvert que les régions du film qui pouvaient gonfler pour s'adapter à l'entrée des ions avaient également une structure et un agencement polymère moins rigides."

Les régions plus rigides et cristallines du film ne pouvaient pas gonfler pour laisser entrer les ions. Mais les zones rigides étaient des patchs idéaux pour conduire les électrons.

Ginger et son équipe ont voulu confirmer que les variations structurelles du polymère étaient à l'origine de ces variations des propriétés électrochimiques du film. Co-auteur Christine Luscombe, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW et membre du Clean Energy Institute, et son équipe a fabriqué de nouveaux films P3HT présentant différents niveaux de rigidité en fonction des variations de l'agencement des polymères.

En soumettant ces nouveaux films à la même batterie de tests, Giridharagopal a montré une corrélation claire entre l'arrangement des polymères et les propriétés électrochimiques. Les dispositions de polymères moins rigides et plus amorphes ont donné des films qui pouvaient gonfler pour laisser entrer les ions, mais étaient de mauvais conducteurs d'électrons. Des arrangements de polymères plus cristallins ont donné des films plus rigides qui pourraient facilement conduire des électrons. Ces mesures démontrent pour la première fois que de petites différences structurelles dans la façon dont les polymères organiques sont traités et assemblés peuvent avoir des conséquences majeures sur la façon dont le film accueille les ions ou les électrons. Cela peut également signifier que ce compromis entre les besoins en ions et en électrons est inévitable. Mais ces résultats donnent à Ginger l'espoir qu'une autre solution est possible.

"L'implication de ces découvertes est que vous pourriez éventuellement intégrer un matériau cristallin - qui pourrait transporter des électrons - dans un matériau qui est plus amorphe et pourrait transporter des ions, " dit Ginger. " Imaginez que vous puissiez exploiter le meilleur des deux mondes, afin que vous puissiez avoir un matériau capable de transporter efficacement des électrons et de gonfler avec l'absorption d'ions, puis de coupler les deux l'un avec l'autre."