Pružné, organické a biologicky odbouratelné: Vědci ze Stanfordu vyvíjejí novou vlnu elektroniky

Foto s laskavým svolením Bao Lab:

Stanford News – May 1st, 2017 – by Sarah Derouin

Jak elektronika stále více proniká do našich životů – od chytrých telefonů až po nositelné senzory – tak i stále rostoucí množství elektronického odpadu, který vytváří. Zpráva Programu OSN pro životní prostředí zjistila, že v roce 2017 bylo vyhozeno téměř 50 milionů tun elektronického odpadu – o více než 20 % více než v roce 2015.

Znepokojena tímto narůstajícím množstvím odpadu se inženýrka Zhenan Bao ze Stanfordu a její tým snaží elektroniku přehodnotit. „V mé skupině se snažíme napodobit funkci lidské kůže a přemýšlíme, jak vyvinout budoucí elektronická zařízení,“ uvedla Bao. Popsala, že kůže je natahovací, samoléčitelná a také biologicky odbouratelná – což je pro elektroniku lákavý seznam vlastností. „Prvních dvou jsme dosáhli , takže biologická rozložitelnost byla něco, čím jsme se chtěli zabývat.“

Tým vytvořil flexibilní elektronické zařízení, které se snadno rozloží pouhým přidáním slabé kyseliny, například octa. Výsledky byly zveřejněny 1. května v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Jedná se o první příklad polovodivého polymeru, který se může rozkládat,“ uvedl vedoucí autor Ting Lei, postdoktorský pracovník spolupracující s Baem.

Kromě polymeru – v podstatě pružného vodivého plastu – tým vyvinul rozložitelný elektronický obvod a nový biologicky rozložitelný materiál substrátu pro montáž elektrických součástek. Tento substrát podporuje elektrické komponenty, ohýbá se a formuje na drsných i hladkých površích. Když už elektronické zařízení není potřeba, může se celé biologicky rozložit na netoxické součásti.

Biodegradabilní bity

Bao, profesor chemického inženýrství a materiálové vědy a inženýrství, již dříve vytvořil natahovací elektrodu po vzoru lidské kůže. Tento materiál se mohl ohýbat a kroutit způsobem, který by umožnil jeho propojení s kůží nebo mozkem, ale nemohl se rozkládat. To omezovalo jeho použití pro implantabilní zařízení a – což bylo pro Baoa důležité – přispívalo ke vzniku odpadu.

Bao uvedl, že vytvoření robustního materiálu, který je zároveň dobrým elektrickým vodičem a biologicky rozložitelný, bylo vzhledem k tradiční polymerní chemii výzvou. „Snažili jsme se přemýšlet, jak dosáhnout jak skvělých elektronických vlastností, ale zároveň mít biologickou rozložitelnost,“ řekl Bao.

Nakonec tým zjistil, že úpravou chemické struktury pružného materiálu dojde k jeho rozpadu při mírném namáhání. „Přišli jsme s nápadem vytvořit tyto molekuly pomocí speciálního typu chemické vazby, která dokáže zachovat schopnost elektronu plynule se přenášet podél molekuly,“ řekl Bao. „Ale i tato chemická vazba je citlivá na slabé kyseliny – dokonce slabší než čistý ocet.“ Výsledkem byl materiál, který mohl přenášet elektronický signál, ale rozpadl se, aniž by vyžadoval extrémní opatření.

Kromě biologicky odbouratelného polymeru tým vyvinul nový typ elektrické součástky a substrátový materiál, který se k celé elektronické součástce připojí. Elektronické součástky se obvykle vyrábějí ze zlata. Pro toto zařízení však výzkumníci vyrobili komponenty ze železa. Bao poznamenal, že železo je velmi šetrné k životnímu prostředí a pro člověka není toxické.

Výzkumníci vytvořili substrát, který nese elektronický obvod a polymer, z celulózy. Celulóza je stejná látka, ze které se skládá papír. Na rozdíl od papíru však tým upravil celulózová vlákna tak, aby byl „papír“ průhledný a pružný a zároveň se snadno rozkládal. Tenký filmový substrát umožňuje nosit elektroniku na kůži nebo ji dokonce implantovat dovnitř těla.

Od implantátů k rostlinám

Kombinace biologicky odbouratelného vodivého polymeru a substrátu umožňuje použít elektronické zařízení v nepřeberném množství prostředí – od nositelné elektroniky až po rozsáhlé průzkumy životního prostředí s prachovými senzory.

„Představujeme si tyto měkké náplasti, které jsou velmi tenké a přizpůsobivé kůži, které mohou měřit krevní tlak, hodnotu glukózy, obsah potu,“ řekl Bao. Člověk by mohl nosit speciálně navrženou náplast po dobu jednoho dne nebo týdne a poté stáhnout data. Podle Baoa se toto krátkodobé využití jednorázové elektroniky zdá být ideální pro rozložitelnou, flexibilní konstrukci.

A nejde jen o kožní průzkumy: biologicky rozložitelný substrát, polymery a železné elektrody činí celou součástku kompatibilní se zaváděním do lidského těla. Polymer se rozkládá na koncentrace produktu mnohem nižší, než jsou publikované přípustné hodnoty zjištěné v pitné vodě. Přestože bylo zjištěno, že polymer je biokompatibilní, Bao uvedl, že bude třeba provést další studie, než se implantáty stanou běžnou záležitostí.

Biodegradabilní elektronika má potenciál jít daleko za hranice sběru dat o srdečních chorobách a glukóze. Tyto komponenty by se mohly používat v místech, kde průzkumy pokrývají rozsáhlé oblasti v odlehlých lokalitách. Lei popsal scénář výzkumu, kdy je biologicky rozložitelná elektronika shazována letadlem nad lesem za účelem průzkumu krajiny. „Je to velmi rozsáhlá oblast a pro lidi je velmi obtížné senzory rozprostřít,“ řekl. „Také pokud se senzory rozprostřou, je velmi těžké je shromáždit zpět. Nechcete kontaminovat životní prostředí, takže potřebujeme něco, co se dá rozložit.“ Namísto plastů, které by znečišťovaly lesní půdu, by se senzory biologicky rozložily.

S rostoucím počtem elektroniky bude biologická rozložitelnost stále důležitější. Lei je jejich pokrokem nadšený a chce nadále zlepšovat výkonnost biologicky rozložitelné elektroniky. „V současné době máme počítače a mobilní telefony a vytváříme miliony a miliardy mobilních telefonů a je těžké je rozložit,“ řekl. „Doufáme, že se nám podaří vyvinout nějaké materiály, které se dají rozložit, takže bude méně odpadu.“

Dalšími autory studie jsou Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire a Jeffrey Tok ze Stanfordovy univerzity, Tsung-Ching Huang ze společnosti Hewlett Packard Enterprise a Lei-Lai Shao a Kwang-Ting Cheng z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře.

Výzkum byl financován Úřadem pro vědecký výzkum letectva; společností BASF; fondem Marie Curie Cofund; stipendiem Beatriu de Pinós a stipendiem Kodak Graduate Fellowship.

Původně publikováno na stránkách Stanford news

.