Схематическое изображение 3D-иерархической микроструктуры гидрогеля ПАни. (Источник: Бао (Z Bao))
Дебют электронного гидрогеля
Новый тип гидрогеля может быть полезен для электродов высокопроизводительного хранения энергии и биосенсоров. Так считают исследователи из Стэнфордского университета в США, которые использовали проводящий полимер полианилин (ПАни) для создания пористых наноструктурных материалов, которые по их словам, имеют превосходные электронные и электрохимические свойства.
«Наш материал сочетает в себе преимущества гидрогелей (которые имеют большую площадь поверхности) и органических проводников, с их высокой электронной проводимостью и хорошими электрохимическими свойствами», объясняют члены исследовательской группы Лиджа Пань (Lijia Pan) и Гуйхуа Ю (Guihua Yu). «Таким образом, его можно использовать в высокопроизводительных электрохимических устройствах, таких как суперконденсаторы и сверхчувствительные биосенсоры, как те, например, которые используются для обнаружения глюкозы».
Гидрогели — это 3D полимерные сетки, которые могут содержать большое количество воды и имеют структуру, похожую на биологическую ткань. Большинство гидрогелей на основе непроводящих полимерных матриц, что и ограничивает их применение в электронике. Исследователи во главе с Зенан Бао (Zhenan Bao) и Ы Куи (Yi Cui) в настоящее время используют фитиновую кислоту, которая является хорошим ионным проводником, для легирования и сшивки ПАни, с тем чтобы преодолеть этот недостаток.
Быстрое формирование геля
В начале ученые смешивают два раствора. Первый запускает реакцию полимеризации, а второй содержит мономерный анилин и активизирует фитиновую кислоту. Гидрогель формируется всего лишь за три минуты, объясняет Ю., благодаря тому, что каждая молекула фитиновой кислоты, содержит шесть фосфорных групп, которые могут взаимодействовать с несколькими цепями полимера одновременно.
«Мы показали, что можем синтезировать проводящий полимерный гидрогель в больших количествах», говорит Пань. «Это означает, что мы могли бы довольно легко изготовить электронные и электрохимические устройства, такие как блок биосенсоров и микросуперконденсаторов в больших масштабах».
Было установлено, что гидрогель ПАни имеет высокую удельную емкость около 480 Ф/г, а также высокое быстродействие (он заряжается и разряжается очень быстро), и таким образом он может быть идеальным в таких приложениях, как электрические транспортные средства и энергохранение. Для сравнения, коммерческий углерод имеет удельная емкость только около 100 Ф/г.
Быстро чувствует глюкозу
Вдохновленные этими результатами, исследователи решили изготовить датчик глюкозы путем иммобилизации фермента оксидазы глюкозы (GOx) в гидрогель. Глюкоза реагирует с GOx и ее концентрация в растворе контролируется с помощью электрохимических измерений с использованием гидрогельного GOx-ПАни электрода. «Электрод действует как отличный интерфейс между биологической (фермент GOx) и синтетической (электрод) составляющими, а 3D проводящая наноструктурированная основа позволяет гидрогелю эффективно собирать электроны при окислительно-восстановительных реакциях фермент-катализации глюкозы», говорит Пань.
Гидрогель реагирует очень быстро - примерно всего за 0,3 с, по сравнению с временем отклика составляющем около 20 секунд для коммерческих датчиков глюкозы, добавляет он.
Исследователи говорят, что они в настоящее время заняты разработкой других новых гидрогелей, основанных на различных проводящих полимерах. «Мы также стараемся продвинуть наши новые технологии в такие области, как высокопроизводительные литиевые батареи, электро-хромовые устройства, нейронные электроды и даже электронную кожу», утверждает Ю.