"Notre technologie numérique fonctionne grâce à une série d'interrupteurs électroniques marche-arrêt qui contrôlent le flux de courant et de tension", a déclaré Rajiv Giridharagopal, chercheur scientifique à l'Université de Washington. "Mais notre corps fonctionne selon la chimie. Dans notre cerveau, les neurones propagent les signaux de manière électrochimique, en déplaçant des ions (des atomes ou des molécules chargés) et non des électrons."

Les dispositifs implantables, des stimulateurs cardiaques aux glucomètres, s'appuient sur des composants capables de parler les deux langues et de combler cet écart. Parmi ces composants figurent les OECT, ou transistors électrochimiques organiques, qui permettent au courant de circuler dans des dispositifs tels que les biocapteurs implantables. Mais les scientifiques connaissaient depuis longtemps une particularité des OECT que personne ne pouvait expliquer :lorsqu'un OECT est allumé, il y a un délai avant que le courant n'atteigne le niveau opérationnel souhaité. Lorsqu'il est éteint, il n'y a pas de décalage. Le courant chute presque immédiatement.

Une étude menée par l'UW a résolu ce mystère et, ce faisant, a ouvert la voie à des OECT sur mesure pour une liste croissante d'applications dans les domaines de la biodétection, du calcul inspiré du cerveau et au-delà.

"La rapidité avec laquelle vous pouvez commuter un transistor est importante pour presque toutes les applications", a déclaré David Ginger, chef de projet, professeur de chimie à l'UW, scientifique en chef à l'UW Clean Energy Institute et membre du corps professoral de l'UW Molecular Engineering and Sciences Institute. "Les scientifiques ont reconnu le comportement de commutation inhabituel des OECT, mais nous n'en connaissions jamais la cause, jusqu'à présent."

Dans un article publié dans Nature Materials , l'équipe de Ginger à l'UW, ainsi que le professeur Christine Luscombe de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa au Japon et le professeur Chang-Zhi Li de l'Université du Zhejiang en Chine, rapportent que les OECT s'activent via un processus en deux étapes, ce qui provoque le décalage. . Mais ils semblent s'éteindre grâce à un processus plus simple en une seule étape.

En principe, les OECT fonctionnent comme des transistors en électronique :lorsqu'ils sont allumés, ils permettent la circulation du courant électrique. Lorsqu'ils sont éteints, ils le bloquent. Mais les OECT fonctionnent en couplant le flux d'ions avec le flux d'électrons, ce qui en fait des voies intéressantes pour interagir avec la chimie et la biologie.

La nouvelle étude met en lumière les deux étapes par lesquelles passent les OECT lorsqu’ils sont allumés. Tout d’abord, un front d’onde d’ions traverse le transistor. Ensuite, davantage de particules porteuses de charge envahissent la structure flexible du transistor, le faisant légèrement gonfler et amenant le courant à des niveaux opérationnels. En revanche, l'équipe a découvert que la désactivation est un processus en une seule étape :les niveaux de produits chimiques chargés chutent simplement uniformément à travers le transistor, interrompant rapidement le flux de courant.

Connaître la cause de ce retard devrait aider les scientifiques à concevoir de nouvelles générations d'OECT pour un ensemble plus large d'applications.

"Il y a toujours eu une volonté de développement technologique visant à rendre les composants plus rapides, plus fiables et plus efficaces", a déclaré Ginger. "Pourtant, les "règles" de comportement des OECT n'ont pas été bien comprises. L'un des moteurs de ce travail est de les apprendre et de les appliquer aux futurs efforts de recherche et de développement. "

Qu’ils résident dans des appareils permettant de mesurer la glycémie ou l’activité cérébrale, les OECT sont en grande partie constitués de polymères semi-conducteurs organiques flexibles – des unités répétitives de composés complexes riches en carbone – et fonctionnent immergés dans des liquides contenant des sels et d’autres produits chimiques. Pour ce projet, l'équipe a étudié les OECT qui changent de couleur en réponse à une charge électrique. Les matériaux polymères ont été synthétisés par l'équipe de Luscombe à l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa et par Li à l'Université du Zhejiang, puis transformés en transistors par les doctorants de l'UW Jiajie Guo et Shinya "Emerson" Chen, qui sont les co-auteurs principaux de l'article.

"Un défi dans la conception des matériaux pour les OECT réside dans la création d'une substance qui facilite le transport efficace des ions et conserve la conductivité électronique", a déclaré Luscombe, qui est également professeur affilié à l'UW de chimie et de science et ingénierie des matériaux. "Le transport des ions nécessite un matériau flexible, alors que garantir une conductivité électronique élevée nécessite généralement une structure plus rigide, ce qui pose un dilemme dans le développement de tels matériaux."

Guo et Chen ont observé au microscope - et enregistré avec l'appareil photo d'un smartphone - ce qui se passe précisément lorsque les OECT sur mesure sont allumés et éteints. Cela a clairement montré qu'un processus chimique en deux étapes est au cœur du délai d'activation de l'OECT.

Des recherches antérieures, notamment celles menées par le groupe de Ginger à l'UW, ont démontré que la structure du polymère, en particulier sa flexibilité, est importante pour le fonctionnement des OECT. Ces appareils fonctionnent dans des environnements remplis de fluides contenant des sels chimiques et d'autres composés biologiques, qui sont plus volumineux que les composants électroniques de nos appareils numériques.

La nouvelle étude va plus loin en reliant plus directement la structure et les performances de l’OECT. L'équipe a découvert que le degré de retard d'activation devrait varier en fonction du matériau dont est constitué l'OECT, par exemple si ses polymères sont plus ordonnés ou disposés de manière plus aléatoire, selon Giridharagopal. Des recherches futures pourraient explorer comment réduire ou allonger les temps de décalage, qui pour les OECT dans la présente étude étaient des fractions de seconde.

"En fonction du type d'appareil que vous essayez de construire, vous pouvez adapter la composition, le fluide, les sels, les porteurs de charge et d'autres paramètres à vos besoins", a déclaré Giridharagopal.

Les OECT ne sont pas seulement utilisés en biodétection. Ils sont également utilisés pour étudier l’influx nerveux dans les muscles, ainsi que pour créer des réseaux neuronaux artificiels et comprendre comment notre cerveau stocke et récupère des informations. Selon Ginger, ces applications très divergentes nécessitent la création de nouvelles générations d'OECT dotés de fonctionnalités spécialisées, notamment des temps de montée et de descente.

"Maintenant que nous apprenons les étapes nécessaires pour réaliser ces applications, le développement peut vraiment s'accélérer", a déclaré Ginger.

Guo est maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire national Lawrence Berkeley et Chen est maintenant scientifique chez Analog Devices. Les autres co-auteurs de l'article sont Connor Bischak, ancien chercheur postdoctoral en chimie à l'UW et aujourd'hui professeur adjoint à l'Université de l'Utah ; Jonathan Onorato, ancien doctorant de l'UW et scientifique à Exponent ; et Kangrong Yan et Ziqui Shen de l'Université du Zhejiang.