想要弥合生物学和技术之间鸿沟的研究人员花费大量时间思考在这些领域的两种不同“语言”之间进行翻译。
华盛顿大学研究科学家拉吉夫·吉里达拉戈帕尔(RajivGiridharagopal)表示：“我们的数字技术通过一系列电子开关来控制电流和电压的流动。”“但我们的身体是靠化学运作的。在我们的大脑中，神经元通过移动离子(带电原子或分子)而不是电子，以电化学方式传播信号。”
从起搏器到血糖监测仪等植入式设备都依赖于能够使用两种语言并弥合这一差距的组件。这些组件包括OECT(或有机电化学晶体管)，它允许电流在植入式生物传感器等设备中流动。但科学家们早就知道OECT的一个怪癖，没有人能够解释：当OECT打开时，在电流达到所需的操作水平之前会有一个延迟。关闭后，没有延迟。电流几乎立即下降。
华盛顿大学领导的一项研究解决了这个滞后的谜团，并在此过程中为定制OECT铺平了道路，以用于生物传感、类脑计算等领域越来越多的应用。
“开关晶体管的速度对于几乎任何应用都很重要，”项目负责人DavidGinger说，他是威斯康星大学化学教授、威斯康星大学清洁能源研究所首席科学家、威斯康星大学分子工程与科学研究所教员。“科学家们已经认识到OECT不寻常的转换行为，但我们直到现在才知道其原因。”
在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，威斯康星大学的Ginger团队与日本冲绳科学技术学院的ChristineLuscombe教授和中国浙江大学的李昌智教授一起报告说，OECT通过两种方式启动：步骤过程，从而导致滞后。但它们似乎是通过一种更简单的一步过程来关闭的。
原则上，OECT的工作原理类似于电子器件中的晶体管：打开时，它们允许电流流动。当关闭时，它们会阻止它。但OECT的工作原理是将离子流与电子流耦合起来，这使得它们成为与化学和生物学相结合的有趣途径。
这项新研究阐明了OECT在开启时要经历的两个步骤。首先，离子波前穿过晶体管。然后，更多的带电荷粒子侵入晶体管的柔性结构，导致其轻微膨胀并使电流达到可操作水平。相比之下，研究小组发现失活是一个一步过程：带电化学物质的水平在晶体管上均匀下降，迅速中断电流流动。
了解滞后的原因应该有助于科学家设计新一代OECT，以实现更广泛的应用。
“技术开发一直在推动组件变得更快、更可靠和更高效，”Ginger说。“然而，OECT行为的‘规则’还没有被很好地理解。这项工作的驱动力是学习它们并将它们应用到未来的研发工作中。”
无论它们是驻留在测量血糖还是大脑活动的设备中，OECT主要由柔性有机半导体聚合物(复杂、富含碳的化合物的重复单元)组成，并浸入含有盐和其他化学物质的液体中运行。在这个项目中，该团队研究了根据电荷改变颜色的OECT。这种聚合物材料由冲绳科学技术研究所的Luscombe团队和浙江大学的Li团队合成，然后由该论文的共同主要作者、威斯康星大学博士生JiajieGui和Shinya“Emerson”Chen制造成晶体管。
“OECT材料设计的一个挑战在于创造一种促进有效离子传输并保持电子导电性的物质，”同时担任威斯康星大学化学和材料科学与工程系副教授的Luscombe说。“离子传输需要柔性材料，而确保高电子传导性通常需要更刚性的结构，这给此类材料的开发带来了困境。”
郭和陈在显微镜下观察并用智能手机摄像头记录了定制OECT打开和关闭时发生的情况。它清楚地表明，两步化学过程是OECT激活滞后的核心。
过去的研究，包括威斯康星大学Ginger小组的研究表明，聚合物结构，尤其是其灵活性，对于OECT的功能非常重要。这些设备在含有化学盐和其他生物化合物的充满液体的环境中运行，与我们数字设备的电子基础相比，它们的体积更大。
这项新研究更进一步，更直接地将OECT结构和性能联系起来。Giridharagopal表示，研究小组发现，激活滞后的程度应根据OECT的材料而变化，例如其聚合物是更有序还是更随机排列。未来的研究可以探索如何减少或延长延迟时间，当前研究中的OECT的延迟时间仅为几分之一秒。
“根据您想要构建的设备类型，您可以定制成分、流体、盐、电荷载体和其他参数来满足您的需求，”Giridharagopal说。
OECT不仅仅用于生物传感。它们还用于研究肌肉中的神经冲动，以及用于创建人工神经网络并了解我们的大脑如何存储和检索信息的计算形式。Ginger表示，这些差异很大的应用需要构建具有特殊功能(包括上升和下降时间)的新一代OECT。
“现在我们正在学习实现这些应用程序所需的步骤，开发可以真正加速，”Ginger说。
郭现在是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员，陈现在是ADI公司的科学家。这篇论文的其他合著者包括康纳·比沙克(ConnorBischak)，他是前华盛顿大学化学博士后研究员，现在是犹他大学的助理教授。乔纳森·奥诺拉托(JonathanOnorato)，华盛顿大学博士生、Exponent科学家;以及浙江大学的严康荣和沉子奎。