Νέο κολλοειδές αγώγιμο πολυμερές για βελτιωμένη αίσθηση, παραγωγή ενέργειας και βιοεπεξεργασία
Τα μαλακά πολυμερή αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής μας ζωής, που κυμαίνονται από φυσικά βιοπολυμερή όπως πρωτεΐνες, DNA και πολυσακχαρίτες που βρίσκονται σε ζωντανά συστήματα, έως εμπορικά συνθετικά πολυμερή όπως πλαστικά, ίνες και ελαστομερή. Γενικά, αυτά τα συμβατικά πολυμερή είναι είτε σημαντικοί μονωτές είτε διηλεκτρικά.
Από την πρωτοποριακή ανακάλυψη της μεταλλικής αγωγιμότητας σε ντοπαρισμένο κρυσταλλικό πολυακετυλένιο από τον Shirakawa το 1977, για την οποία του απονεμήθηκε το βραβείο Noble στη Χημεία το 2000 μαζί με τους Heeger και MacDiarmid, έχουμε γίνει μάρτυρες μιας άνευ προηγουμένου αύξησης της δημοτικότητας των αγώγιμων πολυμερών. Τα συμβατικά οργανικά πολυμερή διαθέτουν ευεργετικές ιδιότητες όπως ευελιξία και δομική ποικιλομορφία, ενώ τα αγώγιμα πολυμερή εισάγουν οπτικές και ηλεκτρικές/ηλεκτρονικές ιδιότητες, καθιστώντας τα ιδανικά για ποικίλες εφαρμογές στην παραγωγή ενέργειας, ηλεκτροχρωμικές συσκευές, αισθητήρες και ενεργοποιητές, βιομηχανική και βιοϊατρικές εφαρμογές.
Το πολυ(3,4-αιθυλενοδιοξυθειοφαίνιο) (PEDOT) είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα και επιτυχημένα αγώγιμα πολυμερή με εξαιρετική σταθερότητα, αναστρέψιμη κατάσταση ντόπινγκ, υψηλή αγωγιμότητα και ηλεκτροχημικές ιδιότητες. Ωστόσο, το PEDOT θεωρήθηκε αρχικά ως αδιάλυτο πολυμερές, περιορίζοντας την ικανότητά του να υποστεί επεξεργασία ως λύση για την κατασκευή συσκευών μεγάλης κλίμακας. Το πρόβλημα διαλυτότητας λύθηκε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας έναν υδατοδιαλυτό ανιονικό πολυηλεκτρολύτη, πολυ(στυρολοσουλφονικό οξύ) (PSS) ως πρόσμικτη εξισορρόπησης φορτίου κατά τον πολυμερισμό για να δώσει το υδατοδιαλυτό σύνθετο PEDOT:PSS, το οποίο προέκυψε από το εργαστήριο σε αποτελούν τη βάση μιας σειράς εμπορικών προϊόντων για αντιστατικές, ηλεκτρονικές και βιοηλεκτρονικές εφαρμογές.
Ενώ παρακάμπτεται το ζήτημα της διαλυτότητας, η σχετικά υψηλή μοριακή αναλογία του PSS και του τμήματος σουλφονικού οξέος (SO3) προσδίδει στο PEDOT:PSS μειωμένη αγωγιμότητα και ισχυρό αρνητικό φορτίο. Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Linköping της Σουηδίας ανέπτυξε πρόσφατα έναν νέο τύπο κολλοειδών PEDOT με δυνατότητα επεξεργασίας διαλύματος και θετικά φορτισμένων κολλοειδών που παρασκευάζονται μέσω πολυμερισμού υποβοηθούμενου από πρότυπο, αποφεύγουν τη χρήση μονωτικού PSS και καταλήγουν σε ένα πολυμερές με θετικό επιφανειακό φορτίο λόγω της οξειδωμένης μορφής της ραχοκοκαλιάς του πολυμερούς PEDOT.
Η πρόσφατη εμφάνιση και η ταχεία ανάπτυξη των έντυπων ηλεκτρονικών και των μαλακών ηλεκτρονικών ειδών παρουσιάζουν νέες προκλήσεις και θέτει τεράστιες απαιτήσεις σε νέα αγώγιμα και ημιαγώγιμα υλικά. Η εύρεση νέων αγώγιμων και ημιαγώγιμων υλικών είναι απαραίτητη για την τόνωση της ανάπτυξης της παγκόσμιας βιομηχανίας έντυπων ηλεκτρονικών ειδών και, κατά συνέπεια, της αγοράς που εξυπηρετεί. Η ανάπτυξη των έντυπων ηλεκτρονικών θα ωφελήσει επίσης τον τομέα των ευέλικτων αισθητήρων, των ιατρικών φορητών επιθεμάτων, της οργανικής διόδου εκπομπής φωτός (OLED) και των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV). Ως βασικό συστατικό για τα έντυπα ηλεκτρονικά, τα μελάνια PEDOT επεξεργασμένα σε διάλυμα θα μπορούσαν να συνδυαστούν με διάφορες τεχνικές εκτύπωσης βιομηχανικής κλίμακας (π.χ. και συσκευές βιοαισθητήρα.
Στον τομέα της ηλεκτροκατάλυσης, το επιφανειακό φορτίο των ηλεκτροδίων αγώγιμου πολυμερούς επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση και την κινητική της ηλεκτροκαταλυτικής διεργασίας στη διεπιφάνεια αντιδραστηρίου-ηλεκτροδίου, λόγω της κινητικής μεταφοράς μάζας και της ηλεκτροστατικής συσσώρευσης των αντιδρώντων. Το δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (NADH) και το φωσφορικό νικοτιναμίδιο αδενίνης δινουκλεοτίδιο (NADHP) είναι τα βασικά οξειδοαναγωγικά αντιδραστήρια για τη βιοηλεκτροκατάλυση και τους βιοαισθητήρες, καθώς είναι συνένζυμα που βρίσκονται στο ανθρώπινο σώμα και συμμετέχουν σε αντιδράσεις με περισσότερα από 300 ένζυμα απαραίτητες μεταφορές στην αφυδρογονάση. αλυσίδα στη φωτοσύνθεση.
Η ομάδα του Mak στο Linköping έχει δείξει ότι αυτές οι επεξεργάσιμες με διάλυμα μελάνια PEDOT μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία για την κατασκευή ενός ιεραρχικά δομημένου και θετικά φορτισμένου ηλεκτροδίου με σημαντικά ενισχυμένη κινητική ηλεκτροδίων για οξείδωση NADH, η οποία διευκολύνεται από την αυξημένη ενεργή επιφάνεια το ηλεκτρόδιο και η ηλεκτροστατική συσσώρευση του αρνητικά φορτισμένου NADH στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου PEDOT.
Εκτός από την ηλεκτροοξείδωση NADH, με τη σύζευξη του ηλεκτροχημικού μετατροπέα NADH με βάση το PEDOT με ένζυμα αφυδρογονάσης, είναι δυνατό να αναπτυχθούν βιοαισθητήρες για ένα ευρύ φάσμα αναλυτών (π.χ. γλυκόζη, αλκοόλη, μυρμηκικό, αλδεΰδη, γαλακτικό, β-υδροξυβουτυρικό κ.λπ.) μέσω την ανίχνευση του NADH που παράγεται από τη συγκεκριμένη ενζυμική αντίδραση. Τα σταθερά και κατασκευασμένα καταλυτικά ηλεκτρόδια για την οξείδωση NADH αποτελούν απαραίτητη προϋπόθεση για την υλοποίηση πολυπαραμετρικών αισθητήρων μεταβολίτη για εφαρμογές στην κλινική διάγνωση και άλλες εφαρμογές της επιστήμης της ζωής, καθώς και για την υποστήριξη της ανάπτυξης κυψελών βιοκαυσίμου με βάση την αφυδρογονάση, βιοαντιδραστήρες και βιοκαταλυτικές διεργασίες. P>
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται σε ένα άρθρο με τίτλο Positively-charged hierarchical PEDOT interface with ενισχυμένη κινητική ηλεκτροδίων για βιοαισθητήρες που βασίζονται σε NADH, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Biosensors and Bioelectronics . Το έργο διεξήχθη από τους Lingyin Meng, Anthony P.F. Turner και Wing Cheung Mak από το Τμήμα Φυσικής, Χημείας και Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Linköping, Σουηδία.
