Rahasia Dua Langkah: Ilmuwan Memecahkan Misteri Bioteknologi Elektrokimia
Para peneliti di College of Washington, bersama dengan kolaborator internasional, telah menemukan mengapa transistor elektrokimia organik (OECT) yang digunakan dalam biosensor dan perangkat medis lainnya mengalami penundaan saat dinyalakan. Studi mereka, yang menunjukkan OECT diaktifkan melalui proses dua langkah tetapi dinonaktifkan melalui metode satu langkah yang lebih sederhana dan cepat, membuka jalan bagi desain yang lebih baik dalam aplikasi medis dan komputasional.
Penelitian baru telah mengungkapkan bahwa kelambatan yang diamati pada transistor elektrokimia organik (OECT) saat dinyalakan disebabkan oleh proses aktivasi dua langkah, yang memberikan wawasan penting untuk merancang OECT yang lebih efektif dan dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi teknologi dan biologi.
Para peneliti yang ingin menjembatani kesenjangan antara biologi dan teknologi menghabiskan banyak waktu untuk berpikir tentang penerjemahan antara dua “bahasa” yang berbeda di bidang tersebut.
“Teknologi digital kita beroperasi melalui serangkaian sakelar on-off elektronik yang mengendalikan aliran arus dan tegangan,” kata Rajiv Giridharagopal, seorang ilmuwan peneliti di Universitas Washington. “Namun, tubuh kita beroperasi berdasarkan kimia. Di otak kita, neuron menyebarkan sinyal secara elektrokimia, dengan menggerakkan ion — atom atau molekul bermuatan — bukan elektron.”
Perangkat yang dapat ditanamkan mulai dari alat pacu jantung hingga monitor glukosa bergantung pada komponen yang dapat berbicara dalam kedua bahasa dan menjembatani kesenjangan tersebut. Di antara komponen tersebut adalah OECT — atau transistor elektrokimia organik — yang memungkinkan arus mengalir dalam perangkat seperti biosensor yang dapat ditanamkan. Namun, para ilmuwan telah lama mengetahui tentang keanehan OECT yang tidak dapat dijelaskan oleh siapa pun: Ketika OECT dinyalakan, ada jeda sebelum arus mencapai tingkat operasional yang diinginkan. Ketika dimatikan, tidak ada jeda. Arus turun hampir seketika.
Sebuah studi yang dipimpin UW telah memecahkan misteri yang tertinggal ini, dan dalam prosesnya membuka jalan bagi OECT yang dirancang khusus untuk daftar aplikasi yang terus bertambah dalam biosensing, komputasi yang terinspirasi otak, dan seterusnya.
Tiga gambar yang ditampilkan di sini adalah tangkapan layar kamera mikroskop, yang menunjukkan proses mematikan satu langkah untuk OECT. Angka di sebelah kiri menunjukkan waktu. OECT tampak gelap pada saat dimatikan karena terisi dengan partikel pembawa muatan — yang juga dikenal sebagai “terdoping” sepenuhnya. Ketika OECT dimatikan, jumlah partikel pembawa muatan turun dengan cepat di seluruh transistor, sehingga warnanya menjadi lebih terang. Kredit: Nature Supplies
Terobosan dalam Memahami Operasi OECT
“Seberapa cepat Anda dapat mengganti transistor penting untuk hampir semua aplikasi,” kata pemimpin proyek David Ginger, seorang profesor kimia UW, kepala ilmuwan di UW Clear Vitality Institute, dan anggota fakultas di UW Molecular Engineering and Sciences Institute. “Para ilmuwan telah mengenali perilaku penggantian OECT yang tidak biasa, tetapi kami tidak pernah tahu penyebabnya – hingga sekarang.”
Dalam sebuah makalah yang baru-baru ini diterbitkan di Bahan AlamTim Ginger di UW — bersama dengan Profesor Christine Luscombe di Institut Sains dan Teknologi Okinawa di Jepang dan Profesor Chang-Zhi Li di Universitas Zhejiang di Tiongkok — melaporkan bahwa OECT menyala melalui proses dua langkah, yang menyebabkan kelambatan. Namun, OECT tampaknya mati melalui proses satu langkah yang lebih sederhana.
Pada prinsipnya, OECT beroperasi seperti transistor dalam elektronik: Saat dinyalakan, OECT memungkinkan aliran arus listrik. Saat dimatikan, OECT memblokirnya. Namun, OECT beroperasi dengan menggabungkan aliran ion dengan aliran elektron, yang menjadikannya jalur yang menarik untuk berinteraksi dengan kimia dan biologi.
Studi baru ini menjelaskan dua langkah yang dilalui OECT saat dinyalakan. Pertama, gelombang ion bergerak cepat melintasi transistor. Kemudian, lebih banyak partikel bermuatan menyerbu struktur transistor yang fleksibel, menyebabkannya sedikit membengkak dan menaikkan arus ke tingkat operasional. Sebaliknya, tim menemukan bahwa penonaktifan adalah proses satu langkah: Kadar bahan kimia bermuatan turun secara merata di seluruh transistor, yang dengan cepat menghentikan aliran arus.
Enam gambar yang ditampilkan di sini adalah tangkapan layar kamera mikroskop, yang menunjukkan proses pengaktifan dua langkah untuk OECT. Angka di sebelah kiri menunjukkan waktu. Saat OECT pertama kali dinyalakan, ion-ion berwarna gelap menyebar melintasi transistor dari sisi yang diberi label “S” ke sisi yang diberi label “D.” Setelah itu, transistor terus menggelap saat partikel pembawa muatan tambahan bergerak masuk. Kredit: Nature Supplies
Mengetahui penyebab kelambatan akan membantu ilmuwan merancang OECT generasi baru untuk serangkaian aplikasi yang lebih luas.
“Selalu ada dorongan dalam pengembangan teknologi untuk membuat komponen lebih cepat, lebih andal, dan lebih efisien,” kata Ginger. “Namun, 'aturan' tentang cara kerja OECT belum dipahami dengan baik. Kekuatan pendorong dalam pekerjaan ini adalah mempelajarinya dan menerapkannya pada upaya penelitian dan pengembangan di masa mendatang.”
Baik yang berada di dalam perangkat untuk mengukur glukosa darah maupun aktivitas otak, OECT sebagian besar terbuat dari polimer semikonduktor organik yang fleksibel — unit berulang dari senyawa kompleks yang kaya karbon — dan beroperasi saat direndam dalam cairan yang mengandung garam dan bahan kimia lainnya. Untuk proyek ini, tim mempelajari OECT yang berubah warna sebagai respons terhadap muatan listrik. Bahan polimer disintesis oleh tim Luscombe di Institut Sains dan Teknologi Okinawa dan tim Li di Universitas Zhejiang, lalu dibuat menjadi transistor oleh mahasiswa doktoral UW Jiajie Guo dan Shinya “Emerson” Chen, yang merupakan penulis utama bersama dalam makalah tersebut.
“Tantangan dalam desain materials untuk OECT terletak pada pembuatan zat yang memfasilitasi pengangkutan ion yang efektif dan mempertahankan konduktivitas elektronik,” kata Luscombe, yang juga merupakan profesor afiliasi kimia dan ilmu materials serta teknik di UW. “Pengangkutan ion memerlukan materials yang fleksibel, sedangkan memastikan konduktivitas elektronik yang tinggi biasanya memerlukan struktur yang lebih kaku, sehingga menimbulkan dilema dalam pengembangan materials tersebut.”
Guo dan Chen mengamati di bawah mikroskop — dan merekam dengan kamera ponsel pintar — apa yang terjadi ketika OECT yang dibuat khusus dinyalakan dan dimatikan. Hal ini menunjukkan dengan jelas bahwa proses kimia dua langkah merupakan inti dari jeda aktivasi OECT.
Penelitian terdahulu, termasuk oleh kelompok Ginger di UW, menunjukkan bahwa struktur polimer, terutama fleksibilitasnya, penting bagi cara kerja OECT. Perangkat ini beroperasi dalam lingkungan berisi cairan yang mengandung garam kimia dan senyawa biologis lainnya, yang lebih besar dibandingkan dengan dasar elektronik perangkat digital kita.
Arah dan Aplikasi Masa Depan
Studi baru ini melangkah lebih jauh dengan menghubungkan struktur dan kinerja OECT secara lebih langsung. Tim menemukan bahwa tingkat kelambatan aktivasi harus bervariasi berdasarkan bahan pembuat OECT, seperti apakah polimernya lebih teratur atau lebih acak, menurut Giridharagopal. Penelitian di masa mendatang dapat mengeksplorasi cara mengurangi atau memperpanjang waktu kelambatan, yang untuk OECT dalam studi saat ini adalah sepersekian detik.
“Tergantung pada jenis perangkat yang ingin Anda bangun, Anda dapat menyesuaikan komposisi, cairan, garam, pembawa muatan, dan parameter lainnya agar sesuai dengan kebutuhan Anda,” kata Giridharagopal.
OECT tidak hanya digunakan dalam biosensing. OECT juga digunakan untuk mempelajari impuls saraf pada otot, serta bentuk komputasi untuk menciptakan jaringan saraf buatan dan memahami bagaimana otak kita menyimpan dan mengambil informasi. Aplikasi yang sangat beragam ini mengharuskan pembuatan generasi baru OECT dengan fitur khusus, termasuk waktu peningkatan dan penurunan, menurut Ginger.
“Sekarang setelah kami mempelajari langkah-langkah yang diperlukan untuk mewujudkan aplikasi tersebut, pengembangan dapat benar-benar dipercepat,” kata Ginger.
Referensi: “Memahami waktu peralihan asimetris dalam transistor elektrokimia organik mode akumulasi” oleh Jiajie Guo, Shinya E. Chen, Rajiv Giridharagopal, Connor G. Bischak, Jonathan W. Onorato, Kangrong Yan, Ziqiu Shen, Chang-Zhi Li, Christine Okay. Luscombe dan David S. Ginger, 17 April 2024, Bahan Alam.
DOI: 10.1038/s41563-024-01875-3
Guo kini menjadi peneliti pascadoktoral di Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory dan Chen kini menjadi ilmuwan di Analog Gadgets. Penulis pendamping lainnya dalam makalah ini adalah Connor Bischak, mantan peneliti pascadoktoral di bidang kimia di UW yang kini menjadi asisten profesor di College of Utah; Jonathan Onorato, alumni doktoral UW dan ilmuwan di Exponent; serta Kangrong Yan dan Ziqui Shen dari Zhejiang College. Penelitian ini didanai oleh US Nationwide Science Basis, dan polimer yang dikembangkan di Zhejiang College didanai oleh Nationwide Science Basis of China.
