Органические полимеры могут эффективно преобразовывать сигналы от биологических тканей в электронные сигналы

Электроника, которая интегрируется с человеческим телом — например, умные часы, которые берут пробы вашего пота, — работают, преобразовывая сигналы на основе ионов биологической ткани в сигналы на основе электронов, используемые в транзисторах. Но материалы в этих устройствах часто предназначены для максимального поглощения ионов, жертвуя электронными характеристиками.


Чтобы исправить это, исследователи Массачусетского технологического института разработали стратегию разработки этих материалов, называемых органическими смешанными ионно-электронными проводниками (OMIEC), которая уравновешивает их ионные и электронные свойства.

По словам Аристида Гумюсенге, доцента кафедры материаловедения и инженерии Мертона К. Флемингса, оптимизированные OMIEC могут даже запоминать и сохранять сигналы таким образом, который имитирует биологические нейроны.


— Аристид Гумюсенге.

Создание лучшего OMIEC

Электроника, взаимодействующая непосредственно с человеческим телом, должна быть изготовлена ​​из легких, гибких и биологически совместимых материалов. Органические полимеры, такие как OMIEC, которые могут переносить как ионы, так и электроны, являются отличными строительными блоками для транзисторов в подобных устройствах.


— Аристид Гумюсенге.

Гумюсенге и его коллеги задались вопросом, смогут ли они построить лучший OMIEC, разработав новые сополимеры с нуля, используя высокопроводящий пигмент под названием DPP и разработав химическую основу и боковые цепи сополимера. Избирательно контролируя плотность определенных боковых цепей, исследователи смогли максимизировать как ионную проницаемость, так и перенос электронного заряда.

По словам Гумюсенге, этот метод можно использовать для создания обширной библиотеки OMIEC, тем самым разблокировав нынешнее узкое место, связанное с единым материалом, которое сейчас существует в ионно-электронных устройствах.

Недавно разработанные OMIEC сохраняют свои электрохимические свойства после выдержки при температуре 300 градусов по Цельсию, что делает их совместимыми с коммерческими условиями производства, используемыми для изготовления традиционных интегральных схем.


— Аристид Гумюсенге.

OMIEC в искусственных нейронах

Стратегия дизайна исследователей Массачусетского технологического института позволяет настроить способность OMIEC принимать и удерживать электрохимический заряд на основе ионов. Этот процесс напоминает то, что происходит с биологическими нейронами, которые используют ионы для связи во время обучения и памяти.

Это заставило команду Гумюсенге задуматься: можно ли использовать их OMIEC в устройствах, которые имитируют синаптические связи между нейронами в мозге?

Исследование показало, что искусственные синапсы могут проводить сигналы таким образом, что это напоминает синаптическую пластичность, лежащую в основе обучения, также отмечено постоянное усиление передачи сигналов синапсов, что напоминает биологический процесс формирования памяти.

Исследователи говорят, что когда-нибудь эти типы искусственных синапсов могут стать основой искусственных нейронных сетей, которые сделают интеграцию электроники и биологии еще более мощной.


— Аристид Гумюсенге.

Исследование было поддержано Центром мозга и тела К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте и Корейским передовым институтом науки и технологий.