Des chercheurs de l'Université de Washington, en collaboration avec des collaborateurs internationaux, ont découvert pourquoi les transistors électrochimiques organiques (OECT) utilisés dans les biocapteurs et autres dispositifs médicaux subissent un délai d'activation. Leur étude, qui montre que les OECT s'activent via un processus en deux étapes mais se désactivent via une méthode en une seule étape plus simple et plus rapide, ouvre la voie à des conceptions améliorées dans les applications médicales et informatiques.
De nouvelles recherches ont révélé que le décalage observé dans les transistors électrochimiques organiques (OECT) lors de la mise sous tension est dû à un processus d'activation en deux étapes, fournissant des informations cruciales pour la conception d'OECT plus efficaces et personnalisables pour diverses applications technologiques et biologiques.
Les chercheurs qui souhaitent combler le fossé entre la biologie et la technologie passent beaucoup de temps à réfléchir à la traduction entre les deux « langages » différents de ces domaines.
« Notre technologie numérique fonctionne grâce à une série d’interrupteurs électroniques qui contrôlent le flux de courant et de tension », explique Rajiv Giridharagopal, chercheur à l’Université de Washington. « Mais notre corps fonctionne grâce à la chimie. Dans notre cerveau, les neurones propagent les signaux de manière électrochimique, en déplaçant des ions (atomes ou 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 cette lacune. Parmi ces composants figurent les transistors électrochimiques organiques (OECT), 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 activé, il y a un décalage avant que le courant n’atteigne le niveau opérationnel souhaité. Lorsqu’il est désactivé, il n’y a pas de décalage. Le courant chute presque immédiatement.
Une étude menée par l'UW a résolu ce mystère en suspens et a ainsi ouvert la voie à des OECT personnalisés pour une liste croissante d'applications dans les domaines de la biodétection, du calcul inspiré du cerveau et au-delà.
Les trois images présentées ici sont des captures d’écran prises par un microscope, montrant le processus d’arrêt en une seule étape d’un transistor OECT. Les chiffres de gauche indiquent le temps. Le transistor OECT apparaît sombre au moment de l’arrêt car il est chargé de particules chargées, ce qui est également connu comme étant « entièrement dopé ». Lorsque le transistor OECT est éteint, le nombre de particules chargées diminue rapidement à travers le transistor, ce qui éclaircit sa couleur. Crédit : Nature Materials
Une avancée dans la compréhension du fonctionnement de l'OECT
« La vitesse à laquelle un transistor peut être commuté est importante pour presque toutes les applications », a déclaré le chef de projet David Ginger, professeur de chimie à l’Université de Washington, scientifique en chef à l’Institut de l’énergie propre de l’Université de Washington et membre du corps enseignant de l’Institut des sciences et de l’ingénierie moléculaires de l’Université de Washington. « Les scientifiques ont reconnu le comportement de commutation inhabituel des transistors à effet de champ électromagnétique, mais nous n’en avons jamais su la cause – jusqu’à présent. »
Dans un article récemment publié dans Matériaux naturelsL'équipe de Ginger à l'UW — en collaboration avec la professeure 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 — rapporte que les OECT s'activent via un processus en deux étapes, ce qui provoque le décalage. Mais ils semblent s'éteindre via un processus plus simple en une seule étape.
En principe, les OECT fonctionnent comme des transistors électroniques : lorsqu'ils sont allumés, ils laissent passer le 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 l'interface avec la chimie et la biologie.
La nouvelle étude met en lumière les deux étapes que suivent les transistors électrochimiques à effet de champ (OECT) lorsqu'ils sont allumés. Tout d'abord, un front d'onde d'ions traverse le transistor. Ensuite, davantage de particules chargées envahissent la structure flexible du transistor, le faisant gonfler légèrement et portant 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 dans le transistor, interrompant rapidement le flux de courant.
Les six images présentées ici sont des captures d'écran prises par un microscope, montrant le processus de mise en marche en deux étapes d'un OECT. Les chiffres de gauche indiquent le temps. Lorsque l'OECT est mis en marche pour la première fois, un front sombre d'ions se propage à travers le transistor du côté étiqueté « S » au côté étiqueté « D ». Ensuite, le transistor continue de s'assombrir à mesure que des particules porteuses de charge supplémentaires se déplacent. Crédit : Nature Materials
Connaître la cause du décalage devrait aider les scientifiques à concevoir de nouvelles générations d’OECT pour un ensemble plus large d’applications.
« Le développement technologique a toujours eu pour objectif de rendre les composants plus rapides, plus fiables et plus efficaces », a déclaré Ginger. « Pourtant, les « règles » régissant le comportement des OECT ne sont pas encore bien comprises. L’un des objectifs de ce travail est de les apprendre et de les appliquer aux futurs efforts de recherche et développement. »
Qu'ils soient intégrés à des appareils destinés à mesurer la glycémie ou l'activité cérébrale, les transistors à effet de champ électromagnétique (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 transistors à effet de champ électromagnétique 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 celle de Li à l'Université du Zhejiang, puis fabriqués en transistors par les doctorants Jiajie Guo et Shinya « Emerson » Chen de l'UW, qui sont co-auteurs principaux de l'article.
« L’un des défis de la conception des matériaux pour les OECT est de créer 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 pour garantir une conductivité électronique élevée, il faut 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 la caméra d’un smartphone, ce qui se passe précisément lorsque les OECT personnalisés sont activés et désactivés. Cela a clairement montré qu’un processus chimique en deux étapes est à l’origine du retard d’activation des OECT.
Des recherches antérieures, notamment celles menées par le groupe de Ginger à l'Université de Washington, ont démontré que la structure des polymères, en particulier leur flexibilité, est importante pour le fonctionnement des OECT. Ces dispositifs fonctionnent dans des environnements remplis de fluides contenant des sels chimiques et d'autres composés biologiques, qui sont plus volumineux que les bases électroniques de nos appareils numériques.
Orientations et applications futures
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 selon que ses polymères sont plus ordonnés ou plus aléatoires, selon Giridharagopal. Les recherches futures pourraient explorer comment réduire ou allonger les temps de latence, qui pour les OECT de l'étude actuelle étaient de quelques 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 en fonction de vos besoins », a déclaré Giridharagopal.
Les OECT ne sont pas uniquement utilisés dans la biodétection. Ils sont également utilisés pour étudier les impulsions nerveuses dans les muscles, ainsi que pour des formes de calcul permettant de créer des réseaux neuronaux artificiels et de comprendre comment notre cerveau stocke et récupère des informations. Ces applications très divergentes nécessitent la création de nouvelles générations d'OECT avec des fonctionnalités spécialisées, notamment des temps de montée et de descente, selon Ginger.
« Maintenant que nous connaissons les étapes nécessaires à la réalisation de ces applications, le développement peut vraiment s'accélérer », a déclaré Ginger.
Guo est aujourd'hui chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory et Chen est aujourd'hui scientifique chez Analog Devices. Les autres co-auteurs de l'article sont Connor Bischak, ancien chercheur postdoctoral en chimie de l'UW, aujourd'hui professeur adjoint à l'Université de l'Utah ; Jonathan Onorato, ancien doctorant de l'UW et scientifique chez Exponent ; et Kangrong Yan et Ziqui Shen de l'Université du Zhejiang. La recherche a été financée par la National Science Foundation des États-Unis, et les polymères développés à l'Université du Zhejiang ont été financés par la National Science Foundation de Chine.
