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연구팀은 이온과 전자를 동시에 운반할 수 있는 고분자를 만들기 위한 설계 원리를 밝히고 있다. 문제는 커뮤니케이션 형식의 근본적인 비호환성이다. 대부분의 기술은 전자 기술에 의존하고 있지만, 생물학은 원자 또는 분자로 구성된 이온으로 신호를 변환한다. 이러한 전자 공학과 생물학을 서로 연결하려면 새로운 재료가 필요하다. 연구팀은 이온과 전자와 상호 작용할 때, 공액 폴리머(conjugated polymer)로 만들어진 단일 유형의 박막을 직접 측정했다. 폴리머 레이아웃 (layout)의 변화에 따른 필름의 내구성 및 비 내구성 영역을 산출하고, 이들 영역이 전자 또는 이온을 수용할 수 있지만 모두 동일하지 않다. 부드럽고 내구성이 없는 영역은 전자 도체로 좋지 않았고, 미묘하게 팽창하여 이온을 흡수할 수 있었지만, 내구성 영역에서는 그 반대였다. 유기 반도체 폴리머는 탄소가 풍부한 분자의 반복 단위로 만들어진 복잡한 매트릭스이다. 전도성 이온과 전자를 모두 수용할 수 있는 유기 고분자는 새로운 바이오 센서, 유연한 생체 전자 임플란트, 더 나은 배터리를 만드는 열쇠이다. 그러나, 작은 전자들과 부피가 큰 이온들 사이의 크기와 행동의 차이는 서로 결합하기 어렵게 한다. 연구팀의 결과들은 폴리머 합성 및 레이아웃 프로세스가 필름의 전자 및 이온 컨덕턴스 특성에 얼마나 중요한지를 보여주고, 전자 전송과 이온 수송의 요구를 균형 잡을 수 있는 고분자 소자를 개발할 수 있는 방법을 제시한다. 연구팀은 폴리(3-헥실티오펜 : 3-hexylthiophene) 또는 비교적 일반적인 유기 반도체 재료인 P3HT로 만든 필름의 물리적 및 전기 화학적 특성을 측정했다. 또한, 리튬 이온 배터리의 전극을 측정하기 위해 원래 개발된 기술을 빌려 부분적으로 P3HT 필름의 전기 화학적 성질을 조사했다. 이 접근 방법은 전기 화학적 스트레인 현미경으로 원자 수준 정밀도로 물체의 물리적 크기의 변화를 측정하기 위해 기계식 팔에 매달린 바늘형 프로브를 사용한다. P3HT 필름을 이온 용액에 넣을 때 필름의 특정 영역이 미묘하게 팽창하여 이온이 필름으로 흐를 수 있음을 발견했다. 연구팀은 다른 방법을 이용하여 이온 주입을 수용하기 위해 팽창할 수 있는 필름의 영역도 덜 단단한 구조와 폴리머 배열을 가지는 것을 발견했다. 필름의 더 단단하고 결정질이 많은 영역은 팽창되어 이온을 들여 보낼 수 없었지만, 단단한 부분은 전자 전도에 이상적이었다. 이러한 폴리머의 구조적 변화가 필름의 전기 화학적 성질의 변화의 원인임을 확인하기 위해 연구팀은 고분자 배열의 변화에 따라 다른 강성 수준을 갖는 새로운 P3HT 필름을 만들었다. 이러한 새로운 필름을 동일한 시험 배열에 적용함으로써, 폴리머 배열과 전기 화학적 특성 사이의 상관 관계를 발견하였다. 덜 단단하고 더 많은 비정질 폴리머 레이아웃은 이온을 주입하도록 팽창할 수 있는 필름을 생성하지만, 전자의 전도도가 낮다. 더 많은 결정질 중합체 배치는 전자를 쉽게 전도시킬 수 있는 보다 단단한 필름을 만들었다. 이러한 측정은 유기 폴리머가 어떻게 가공되고 조립되는지에 작은 구조적 차이가 필름이 이온 또는 전자를 수용하는 방법에 주요한 영향을 미칠 수 있음을 최초로 입증했다. 결과적으로, 전자를 운반할 수 있는 결정질 물질을 이온을 운반할 수 있는 비정질 물질 내에 포함시킬 수 있다. 이 두 물질을 최대한 활용하여 전자를 효율적으로 운반하고 이온 섭취로 팽창할 수 있다면, 생체 전자 분리는 곧 개발되지 않을 수도 있지만 더 나은 생체 전자 장치와 더 나은 배터리가 필요할 것이다. |
