Los investigadores que quieren cerrar la brecha entre biología y tecnología dedican mucho tiempo a pensar en traducir entre los dos «lenguajes» diferentes de esos reinos.
«Nuestra tecnología digital opera a través de una serie de interruptores electrónicos de encendido y apagado que controlan el flujo de corriente y voltaje», dijo Rajiv Giridharagopal, científico investigador de la Universidad de Washington. «Pero nuestros cuerpos funcionan con química. En nuestros cerebros, las neuronas propagan señales electroquímicamente, moviendo iones (átomos o moléculas cargados), no electrones».
Los dispositivos implantables, desde marcapasos hasta monitores de glucosa, dependen de componentes que pueden hablar ambos idiomas y cerrar esa brecha. Entre esos componentes se encuentran los OECT (o transistores electroquímicos orgánicos) que permiten que la corriente fluya en dispositivos como biosensores implantables. Pero los científicos conocían desde hacía mucho tiempo una peculiaridad de los OECT que nadie podía explicar: cuando se enciende un OECT, hay un retraso antes de que la corriente alcance el nivel operativo deseado. Cuando está apagado, no hay retraso. La corriente cae casi de inmediato.
Un estudio dirigido por la Universidad de Washington resolvió este misterio rezagado y, en el proceso, allanó el camino hacia OECT personalizados para una lista cada vez mayor de aplicaciones en biodetección, computación inspirada en el cerebro y más.
«La rapidez con la que se puede cambiar un transistor es importante para casi cualquier aplicación», dijo el líder del proyecto David Ginger, profesor de química de la Universidad de Washington, científico jefe del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington y miembro de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington. «Los científicos han reconocido el comportamiento de conmutación inusual de los OECT, pero nunca supimos su causa… hasta ahora».
En un artículo publicado el 17 de abril en Materiales de la naturaleza, el equipo de Ginger en la Universidad de Washington, junto con la profesora Christine Luscombe en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón y el profesor Chang-Zhi Li en la Universidad de Zhejiang en China, informan que las OECT se activan mediante un proceso de dos pasos, lo que causa el retraso. Pero parecen apagarse mediante un proceso más simple de un solo paso.
En principio, los OECT funcionan como transistores en la electrónica: cuando están encendidos, permiten el flujo de corriente eléctrica. Cuando se apaga, lo bloquean. Pero los OECT funcionan acoplando el flujo de iones con el flujo de electrones, lo que los convierte en rutas interesantes para interactuar con la química y la biología.
El nuevo estudio ilumina los dos pasos por los que pasan los OECT cuando se encienden. Primero, un frente de onda de iones corre a través del transistor. Luego, más partículas portadoras de carga invaden la estructura flexible del transistor, provocando que se hinche ligeramente y elevando la corriente a niveles operativos. Por el contrario, el equipo descubrió que la desactivación es un proceso de un solo paso: los niveles de sustancias químicas cargadas simplemente caen de manera uniforme en todo el transistor, interrumpiendo rápidamente el flujo de corriente.
Conocer la causa del retraso debería ayudar a los científicos a diseñar nuevas generaciones de OECT para un conjunto más amplio de aplicaciones.
«Siempre ha existido este impulso en el desarrollo de tecnología para hacer que los componentes sean más rápidos, más confiables y más eficientes», dijo Ginger. «Sin embargo, las ‘reglas’ sobre cómo se comportan los OECT no se han entendido bien. Una fuerza impulsora en este trabajo es aprenderlas y aplicarlas a futuros esfuerzos de investigación y desarrollo».
Ya sea que residan dentro de dispositivos para medir la glucosa en sangre o la actividad cerebral, los OECT están compuestos en gran medida por polímeros semiconductores orgánicos flexibles (unidades repetidas de compuestos complejos ricos en carbono) y funcionan sumergidos en líquidos que contienen sales y otras sustancias químicas. Para este proyecto, el equipo estudió OECT que cambian de color en respuesta a una carga eléctrica. Los materiales poliméricos fueron sintetizados por el equipo de Luscombe en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa y el de Li en la Universidad de Zhejiang, y luego los estudiantes de doctorado de la Universidad de Washington Jiajie Guo y Shinya «Emerson» Chen, coautores principales del artículo, los fabricaron en transistores.
«Un desafío en el diseño de materiales para OECT radica en la creación de una sustancia que facilite el transporte eficaz de iones y retenga la conductividad electrónica», dijo Luscombe, quien también es profesor afiliado de química y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. «El transporte de iones requiere un material flexible, mientras que para garantizar una alta conductividad electrónica normalmente se necesita una estructura más rígida, lo que plantea un dilema en el desarrollo de dichos materiales».
Guo y Chen observaron bajo un microscopio (y grabaron con la cámara de un teléfono inteligente) precisamente lo que sucede cuando los OECT personalizados se encienden y apagan. Mostró claramente que en el corazón del retraso de activación de OECT se encuentra un proceso químico de dos pasos.
Investigaciones anteriores, incluida la del grupo de Ginger en la Universidad de Washington, demostraron que la estructura del polímero, especialmente su flexibilidad, es importante para el funcionamiento de las OECT. Estos dispositivos funcionan en entornos llenos de fluidos que contienen sales químicas y otros compuestos biológicos, que son más voluminosos en comparación con las bases electrónicas de nuestros dispositivos digitales.
El nuevo estudio va más allá al vincular más directamente la estructura y el rendimiento de la OECT. El equipo descubrió que el grado de retraso de activación debería variar según el material del que esté hecho el OECT, por ejemplo, si sus polímeros están más ordenados o más aleatoriamente, según Giridharagopal. Investigaciones futuras podrían explorar cómo reducir o alargar los tiempos de retraso, que para los OECT en el estudio actual fueron fracciones de segundo.
«Dependiendo del tipo de dispositivo que intentes construir, puedes adaptar la composición, el fluido, las sales, los portadores de carga y otros parámetros para satisfacer tus necesidades», dijo Giridharagopal.
Los OECT no sólo se utilizan en biodetección. También se utilizan para estudiar los impulsos nerviosos en los músculos, así como formas de computación para crear redes neuronales artificiales y comprender cómo nuestro cerebro almacena y recupera información. Según Ginger, estas aplicaciones tan divergentes requieren la construcción de nuevas generaciones de OECT con características especializadas, incluidos tiempos de aceleración y desaceleración.
«Ahora que estamos aprendiendo los pasos necesarios para realizar esas aplicaciones, el desarrollo realmente puede acelerarse», afirmó Ginger.
Guo es ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Chen es ahora científico en Analog Devices. Otros coautores del artículo son Connor Bischak, ex investigador postdoctoral en química de la Universidad de Washington que ahora es profesor asistente en la Universidad de Utah; Jonathan Onorato, alumno de doctorado de la Universidad de Washington y científico de Exponent; y Kangrong Yan y Ziqui Shen de la Universidad de Zhejiang. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., y los polímeros desarrollados en la Universidad de Zhejiang fueron financiados por la Fundación Nacional de Ciencias de China.
