2017年10月20日
亚利桑那大学的工程师已经通过普通材料和测量技术从有机聚合物控制从有机聚合物控制电力转移速率的电化学方法，以使其结果广泛可接近和可重复。亚博网站下载
艾琳·拉特克利夫(左)和本科生扎克瑞·库什兰正在研究拉特克利夫实验室制备的有机半导体薄膜。图片来源:亚利桑那大学
他们的发现发表在《自然通讯》杂志上，将推动有机生物电子学领域的发展，特别是在医学领域，并将应用于电池和燃料电池等能源存储技术。
一个自然的挑战
电子转移反应是生物、化学、物理和工程学中一个电子从一个分子转移到另一个分子或物质的基本过程。电子转移驱动着从光合作用和呼吸作用到电子学的一切。了解这些反应的机制和速率，就有可能控制诸如太阳能电池和生物医学传感器等电子设备的传感能力和输出信号。
材料科学与工程师助理教授的艾琳·格拉夫和博士队助理摩洛夫·鲁尔夫（Melanie Rudolph）亚博网站下载已经证明亚博老虎机网登录了为设计更好的生物传感器而达到生物标志物的选择性的新方法。通过以这样的方式加工聚合物来完成选择性，使得它精确地控制自身和生物标志物分子之间的电荷转移速率。
今天的大多数电子设备由无机半导体材料如硅制成。亚博网站下载它们非常有效，但昂贵的生产和与生物系统相容有限。
拉特克利夫说:“传统的电子材料又硬又脆，因此在柔亚博网站下载性可穿戴结构中很容易失效。”“现有的可植入生物医学电子设备，如除颤器已经取得了显著的成功，但可穿戴和可植入有机生物电子设备的潜力是惊人的。”
在快速生长的有机生物电形领域中，工程师使用有机，或基于碳的导电聚合物，以生产出低成本和轻质，柔韧，可穿戴的电子设备，易于打印。
这种有机生物电子学可能包括用于药物输送的柔软、可拉伸和透明离子泵;追踪汗液中数百个生物标记之一的可穿戴绷带;或者生物神经组织植入物，使截肢者能够操纵机械手臂、手和手指。
该材料通亚博网站下载过有机导电聚合物与周围环境之间的电荷转移反应进行操作。这些反应与无机材料和电解质之间的反应有很大的不同。亚博网站下载通过更好地理解这些过程，研究人员可以操纵有机聚合物的特性，生产出更具有生物兼容性的设备，模糊了人与机器之间的界限。
实验新领域
在他们的论文中，Ratcliff和Rudolph描述了在有机聚合物电化学系统中测试电子转移的主要理论的一些首批实验。
研究人员展示了Marcus-Gerischer模型，基于理论物理学家和诺贝尔奖获奖者Rudolph Marcus和Leed Electrochemist Heinz Gerischer的工作。Marcus理论解释了从一个分子到另一个分子的电子转移反应的速率;Gerischer扩展了该理论，以解释溶液（电解质）和具有导电性能的固体材料之间的分子之间的电荷转移反应，如金属和半导体。亚博网站下载
UA研究导致了两个主要结果。
首先，该团队表明，从聚合物到电解质的电子转移速率直接取决于所施加的能量的量：施加的电压越大，电子转移速率越快。这是正常的电荷转移MARCUS制度。
第二种，更令人兴奋的是研究人员的榜样是Marcus倒置电荷转移理论的演示，这使得随着施加到化学系统的电压增加，电子传递速率在某些情况下大幅减慢。
Ratcliff说:“在我们的实验中，我们结合了Marcus和Gerischer的公式，并应用它们来演示有机聚合物和电解质界面上独特但可预测的电子电荷转移机制。”“根据马库斯-格里舍模型，我们得到了几乎完全相同的反向曲线。”
“我理解倒置的电荷转移，但我真的很惊讶地在实验室中一次又一次地获得这些结果，”鲁道夫说。
未来研究框架
Ratcliff和Rudolph使用了模型分子，FerroCenenyImethanol - 一种电化学研究标准 - 以及广泛研究的薄膜聚合物材料聚 - （3-己烯酮）或P3HT。它们将薄膜聚合物固定到玻璃载玻片上并将其暴露于电解质溶液。通过使用一种电化学光谱，Ratcliff和Rudolph分析了微秒和秒的电子转移和离子分布。
其总体的发现表明，导电有机聚合物和电解质界面的电子转移由聚合物的电子结构直接控制，这是未来有机生物电解应用的主要设计准则。
“我们建议材料科学家和工程师的东西来寻找，使用亚博网站下载分子工程的工具，它们可以合成所需结果的先进材料，”Rudolph说。
拉特克利夫补充说:“任何时候，只要你想出一个实验的基本框架，它就会推动一个领域向前发展。”
来源：http://engr.arizona.edu/