Des ingénieurs de l'Université de l'Arizona ont vérifié expérimentalement les processus électrochimiques qui contrôlent le taux de transfert de charge d'un polymère organique à une molécule biomarqueur, en utilisant des matériaux et des techniques de mesure communs pour rendre leurs résultats largement accessibles et reproductibles.

Leurs découvertes, signalé dans Communication Nature , fera avancer le domaine de la bioélectronique organique, notamment en médecine, et ont des applications aux technologies de stockage d'énergie, comme les batteries et les piles à combustible.

Un défi naturel

Les réactions de transfert d'électrons sont des processus fondamentaux en biologie, chimie, physique et ingénierie dans laquelle un électron est transféré d'une molécule à une autre molécule ou substance. Le transfert d'électrons pilote tout, de la photosynthèse à la respiration en passant par l'électronique. La compréhension des mécanismes et des taux de ces réactions permet de contrôler la capacité de détection et le signal de sortie des appareils électroniques, comme les cellules solaires et les capteurs biomédicaux.

Co-auteurs Erin Ratcliff, professeur assistant en science et génie des matériaux, et l'associée postdoctorale Melanie Rudolph ont démontré de nouvelles façons d'atteindre la sélectivité des biomarqueurs pour concevoir de meilleurs biocapteurs. La sélectivité est obtenue en traitant un polymère de telle manière qu'il contrôle avec précision le taux de transfert de charge entre lui-même et une molécule biomarqueur.

La plupart des appareils électroniques actuels sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs inorganiques comme le silicium. Ils sont très efficaces, mais coûteux à produire et ont une compatibilité limitée avec les systèmes biologiques.

"Les matériaux électroniques traditionnels sont durs et cassants, et donc sujette à l'échec dans les structures portables flexibles, " Ratcliff a déclaré. " Les dispositifs électroniques biomédicaux implantables existants comme les défibrillateurs ont obtenu un succès remarquable, mais le potentiel de la bioélectronique organique portable et implantable est à couper le souffle. "

Dans le domaine en pleine croissance de la bioélectronique organique, les ingénieurs utilisent le bio, ou à base de carbone, polymères conducteurs pour produire une électronique à faible coût et légère, souple et portable, et facile à imprimer.

Une telle bioélectronique organique pourrait inclure des éléments doux, pompes à ions extensibles et transparentes pour l'administration de médicaments ; des bandages portables qui se concentrent sur l'un des centaines de biomarqueurs dans la sueur ; ou des implants biologiques de tissu neural qui permettent à un amputé de manipuler un bras robotique, main et doigts.

Les matériaux fonctionnent par des réactions de transfert de charge entre les polymères organiques conducteurs et le milieu environnant. Ces réactions sont très différentes de celles entre les matériaux inorganiques et les électrolytes. En comprenant mieux ces processus, les chercheurs peuvent manipuler les propriétés des polymères organiques pour produire des dispositifs plus biocompatibles qui brouillent les frontières entre l'homme et la machine.

Nouveau territoire en expérimentation

Dans leur papier, Ratcliff et Rudolph décrivent certaines des premières expériences pour tester une théorie de pointe du transfert d'électrons dans des systèmes électrochimiques avec des polymères organiques.

Les chercheurs ont démontré le modèle Marcus-Gerischer, basé sur les travaux du physicien théoricien et lauréat du prix Nobel Rudolph Marcus et du regretté électrochimiste Heinz Gerischer. La théorie de Marcus explique les taux de réactions de transfert d'électrons d'une molécule à une autre; Gerischer a élargi la théorie pour expliquer les réactions de transfert de charge entre les molécules en solution (électrolytes) et les matériaux solides ayant des propriétés conductrices, comme les métaux et les semi-conducteurs.

La recherche de l'UA a abouti à deux conclusions clés.

D'abord, l'équipe a montré que le taux de transfert d'électrons d'un polymère à un électrolyte dépend directement de la quantité d'énergie appliquée :plus la tension appliquée est élevée, plus le taux de transfert d'électrons est rapide. C'est le régime normal de transfert de charge théorisé par Marcus.

La deuxième, et plus excitant, pièce pour les chercheurs était leur démonstration de la théorie de Marcus du transfert de charge inversé, qui stipule que lorsque la tension appliquée à un système chimique augmente, le taux de transfert d'électrons ralentit considérablement à un moment donné.

« Dans nos expériences, nous avons combiné les formules de Marcus et Gerischer et les avons appliquées pour démontrer unique, mais prévisible, mécanismes de transfert de charge électronique à l'interface des polymères organiques et des électrolytes, " Ratcliff a déclaré. "Nous avons produit presque exactement la même courbe inversée que nous attendions sur la base du modèle Marcus-Gerischer."

"J'ai compris le transfert de charge inversé en théorie, mais j'ai été vraiment surpris d'obtenir ces résultats encore et encore en laboratoire, " dit Rodolphe.

Un cadre pour la recherche future

Ratcliff et Rudolph ont utilisé une molécule modèle, ferrocènediméthanol - une norme de recherche électrochimique - et le matériau polymère à couche mince largement étudié poly-(3-hexylthiophène), ou P3HT. Ils ont fixé le polymère en couche mince sur une lame de verre et l'ont exposé à une solution d'électrolyte. En utilisant une forme de spectroscopie électrochimique, Ratcliff et Rudolph ont analysé le transfert d'électrons et la distribution des ions en microsecondes et secondes.

Leurs résultats démontrent globalement que le transfert d'électrons à l'interface d'un polymère organique conducteur et d'un électrolyte est directement contrôlé par la structure électronique du polymère, une ligne directrice de conception majeure pour les futures applications de la bioélectronique organique.

« Nous suggérons des choses que les scientifiques et les ingénieurs des matériaux doivent rechercher, en utilisant les outils de l'ingénierie moléculaire, ils peuvent synthétiser des matériaux avancés pour les résultats souhaités, " dit Rodolphe.

"Chaque fois que vous proposez un cadre fondamental pour l'expérimentation, il pousse un champ en avant, " ajouta Ratcliff.