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.
Это поведение является ключом к электронике следующего поколения, основанной на биологии, и интерфейсам тела и машины, где наши искусственные компоненты должны говорить на том же языке, что и естественные, для бесшовной интеграции
— 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.
Однако ионная и электронная проводимость имеют противоположные тенденции. То есть улучшение поглощения ионов обычно подразумевает отказ от электронной подвижности
— 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.
Учитывая, что процесс проектирования OMIEC включал добавление более мягких и более «ионно-дружественных» строительных блоков, термические свойства полимеров и влияние термообработки стали впечатляющими и приятным сюрпризом
— 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.
Например материалы, такие как полимер, о котором мы сообщаем, являются многообещающими кандидатами для разработки систем обратной связи с обратной связью, которые могут делать такие вещи, как мониторинг уровня инсулина человека и автоматически вводить правильную дозу инсулина на основе этих данных
— Аристид Гумюсенге.
Исследование было поддержано Центром мозга и тела К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте и Корейским передовым институтом науки и технологий.
