Немецкие ученые разработали «электрический клей», позволяющий обратимо закреплять полимеры на поверхности электродов для формирования наномасштабных устройств, состояние которых переключается при помощи электрического тока. Ранее в рамках предыдущих экспериментов было показано, что молекулы ДНК (биополимер) могут связываться с золотыми электродами, если должным образом изменить электрический потенциал поверхности. Но теперь ученые из Германии сделали следующий шаг, который был необходим для разработки биосенсоров на базе подобных контактов – подробно исследовали нековалентные взаимодействия между полимером и электродом.

Работы ученых из разных научных групп привели к созданию так называемого «электрического клея». Такой «клей» может активироваться или деактивироваться при помощи внешнего напряжения; более того, при должном подборе параметров его можно заставить работать в «обратном» направлении. Т.е. внешнее напряжение может обеспечить снижение взаимодействия между молекулой полимера и поверхностью электрода (вплоть до возможности их полного исключения из расчетов). Однако детали взаимодействия полимера с электродами до конца еще были не ясны, таким образом, для применения разработанного «клея» на практике, нужны дополнительные исследования.

Еще один шаг в этом направлении сделала группа ученых из Ludwig-Maximilians University (Германия). Они взяли на себя подробные исследования нековалентных взаимодействий различных полимеров с поверхностью электродов. При этом для работы с золотыми электродами группа использовала атомный силовой микроскоп (atomic force microscope, AFM).

Рис. 1. Схематическое изображение взаимодействий между молекулой полимера и поверхностью электрода.

Исследователи сначала создавали серию ковалентных связей различных полимеров с острием AFM, а затем формировали контакт полученной системы с золотым электродом. При этом потенциал электрода позволял управлять реакциями окисления и восстановления на его поверхности. После этого они разрывали контакт полимера с электродом, измеряя итоговую силу взаимодействия в зависимости от потенциала электрода с шагом в 10 мВ. Более подробно результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

В своих экспериментах ученые использовали три различных типа полимеров: нейтральный, а также положительно и отрицательно заряженные молекулы. Их работа показала, что существует небольшое взаимодействие между электродом и «отрицательным» полимером вблизи максимального приложенного напряжения в 1В (из-за окисления электрода), и сила этого взаимодействия увеличивалась при уменьшении внешнего напряжения. Для «нейтрального» и «положительного» полимера взаимодействие начиналось примерно с уровня в 0,3 В. В случае с «положительным» полимером потенциал должен был быть еще занижен для построения прочной связи между поверхностными ионами электрода и элементами полимера.

Опубликованная работа немецких ученых показывает, каким образом можно контролировать взаимодействие полимеров и поверхности, давая пояснения на языке ряда факторов, от Кулоновских сил, до механизмов окисления или восстановления поверхности. Т.к. в работе было показано, что сила этого взаимодействия может контролироваться при помощи внешнего потенциала, становится возможным извне контролировать адгезию полимеров к электродам, т.е., фактически, управлять качеством «электрического клея».

По мнению ученых, данная работа имеет большие перспективы в области разработки всевозможных биосенсоров, представляющих собой соединения полимеров, «подключенные» к электродам.