Tasarlanmış polimerler, hafif hasat cihazları ve sinir sistemi ile etkileşime giren implante edilebilir elektronikler gibi yeni nesil teknolojilerde kullanım için umut vaat ediyor-ancak kimyasal, fiziksel ve elektronik özelliklerin doğru kombinasyonuna sahip polimerler oluşturmak önemli bir zorluk yaratıyor. Yeni araştırmalar, bu tür özel uygulamaların taleplerini karşılamak için polimerlerin elektronik özelliklerine nasıl ince ayar yapabilmek için nasıl tasarlanabileceğine dair bilgiler sunmaktadır.
Çalışma dergide görünür Konu.
“Silikon bazlı elektronikler onlarca yıldır var ve bu teknolojilerde kullanılan malzemelerin elektronik özelliklerini tam olarak anlıyoruz,” diyor North Carolina Eyalet Üniversitesi’nde Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Aram Esassian.
“Ama şimdi biyoelektronik gibi şeylerde polimerleri kullanan yeni nesil bir elektronik geliştirmeye çalışıyoruz ve henüz işleme ve mühendislik polimerlerinin elektronik özelliklerini nasıl etkilediğine dair ayrıntılı bir anlayışa sahip değiliz.
Elektronik olarak kullanışlı polimer malzemeleri yapmak için, yük taşıyabilen konjuge polimerler oluşturabilirsiniz. Ancak, polimer tarafından taşınabilecek yük miktarını kontrol etmek için, malzemenin elektronik özelliklerini değiştirmek için ikinci bir molekülü polimere dönüştürmek için “uyuşturucu” yapmanız gerekir.
“Bununla birlikte, polimerin üstesinden gelebileceği yük miktarını artırmak istiyorsanız, daha fazla doping ajanı eklemek kadar basit değildir.” Diyor. “Elektronik özellikler bir dizi değişkenden etkilenir ve çok fazla dopant eklendiğinde acı çeker. Aslında, bu çalışmaya girerken, hangi değişkenlerin alakalı ve hangilerinin olmadığından tam olarak emin değildik. Geleneksel deneysel teknikleri kullanma, temelde hepsini çözmek sonsuza dek sürer.”
Bu amaçla, araştırmacılar, katliamlı bir polimerin işleme, yapısı ve birbirleriyle ilişkili nasıl olduğunu anlamak için deneysel verimliliği en üst düzeye çıkarmak için yapay zeka (AI) tabanlı algoritmalar ve yüksek verimli işlemeden yararlanan bir sistem yarattılar. Algoritmalar, Yazar Baskar Ganapathysubramanian, Joseph C. ve Elizabeth A. Anderlik Mühendislik Profesörü tarafından birlikte yanıt veren yazar Baskar Ganapathysubramanian tarafından geliştirildi.
“Dopebot” sistemi, PBTTT adı verilen bir polimer ve F4TCNQ adı verilen bir doping maddesi kullanarak mümkün olan en geniş iletkenlik aralığını üretmekle görevlendirildi. Dopebot daha sonra PBTTT’nin F4TCNQ ile katıldığı 32 deney yaptı. Değiştirilebilen parametreler, doping işleminde kullanılan çözücü ve doping işleminin sıcaklığını içerir.
Bu reaksiyonların sonuçları manuel olarak karakterize edildi ve bu karakterizasyon verilerinin Dopebot’a geri beslemesi – bu bulguları sonraki 32 deneyin ne olması gerektiğini bildirmek için kullandı. Bu dört kez yapıldı ve üç kez daha farklı parametrelerle tekrarlandı, yani Dopebot 224 deney gerçekleştirildi.
Bu deneyler muazzam miktarda bilgi sağladı: 224 deneyin tüm parametreleri hakkında veriler; her deneyden kaynaklanan katkılı polimerin moleküler ve fiziksel yapısı hakkındaki veriler; ve katkılı polimerlerin elektronik, optik ve yapısal özelliklerine ilişkin veriler.
Araştırmacılar daha sonra işleme parametrelerinin, yapının ve elektronik özelliklerin birbiriyle ilişkili olarak nasıl olduğunu belirlemek için gelişmiş analitik teknikler kullandılar.
“Ama bu analiz bize sadece korelasyonlar verdi,” diyor Mesassian. “Korelasyondan nedenselliğe geçmek için, bu deneylerde olanların altında yatan bilime derin bir dalış yaptık.”
Amassian, NC Eyaletinde kimya yardımcı doçenti olan yardımcı yazar Raja Ghosh ile çalıştı ve polimer ve elektronik özelliklerde katkıların bulunduğu bağlantıyı ortaya çıkarmak için gelişmiş kuantum kimyasal hesaplamaları kullandı.
“Bu çalışma, mühendislik polimerlerine aradığımız elektronik özellikleri vermede önemli bir rol oynayan kimyasal ve fiziksel özelliklere ışık tutuyor, bu da bu uygulamalar için polimerleri mühendislik yaptığımızı bildirmek için çok önemli” diyor.
“Biyoelektronik uygulamalarda kullanılmak üzere yeni malzemeler geliştirmek için bu çalışmaya zaten dayanıyoruz” diyor. “Bu çalışma, NC Eyaleti, Buffalo Üniversitesi ve Almanya’daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden ortak çalışanlarla yapılmaktadır. Hedefimiz, sadece ilgili temel bilim hakkındaki anlayışımızı ilerletmek için değil, sağlık hizmetlerinde ve ötesinde pazarın benimsenmesi için hazır olan organik biyoelektronik malzemeler yaratmaktır.”
Makalenin ilk yazarı NC Eyaletinde doktora sonrası araştırmacı Jacob Mauthe. Makalenin ikinci ve üçüncü yazarları Ankush Kumar Mishra ve Abhradeep Sarkar, Ph.D. Iowa Eyalet Üniversitesi ve NC Eyaletindeki öğrenciler. Makalede ek ortak yazarlar NC State, Chapel Hill’deki Kuzey Carolina Üniversitesi ve Washington Üniversitesi’nden geliyor.
