Flexibel, organisch und biologisch abbaubar: Stanford-Forscher entwickeln neue Welle der Elektronik

Foto mit freundlicher Genehmigung von Bao Lab: Ein neu entwickelter flexibler, biologisch abbaubarer Halbleiter, der von Stanford-Ingenieuren auf einem menschlichen Haar entwickelt wurde.

Stanford News – 1. Mai 2017 – von Sarah Derouin

Da Elektronik in unserem Leben immer allgegenwärtiger wird – von Smartphones bis hin zu tragbaren Sensoren -, steigt auch die Menge an Elektronikmüll, die dabei entsteht. Einem Bericht des Umweltprogramms der Vereinten Nationen zufolge wurden 2017 fast 50 Millionen Tonnen Elektroschrott weggeworfen – mehr als 20 Prozent mehr als 2015.

Aufgeschreckt durch diese wachsende Abfallmenge haben die Stanford-Ingenieurin Zhenan Bao und ihr Team ein Umdenken in Sachen Elektronik eingeleitet. „In meiner Gruppe haben wir versucht, die Funktion der menschlichen Haut zu imitieren, um zu überlegen, wie wir zukünftige elektronische Geräte entwickeln können“, sagte Bao. Sie beschrieb, dass Haut dehnbar, selbstheilend und auch biologisch abbaubar ist – eine attraktive Liste von Eigenschaften für die Elektronik. „

Das Team hat ein flexibles elektronisches Gerät entwickelt, das sich durch die Zugabe einer schwachen Säure wie Essig leicht abbauen lässt. Die Ergebnisse wurden am 1. Mai in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

„Dies ist das erste Beispiel für ein halbleitendes Polymer, das sich zersetzen kann“, sagte der Hauptautor Ting Lei, ein Postdoktorand, der mit Bao zusammenarbeitet.

Zusätzlich zu dem Polymer – im Wesentlichen ein flexibler, leitfähiger Kunststoff – entwickelte das Team eine abbaubare elektronische Schaltung und ein neues biologisch abbaubares Substratmaterial für die Montage der elektrischen Komponenten. Dieses Substrat trägt die elektrischen Komponenten, indem es sich sowohl an raue als auch an glatte Oberflächen anpasst. Wenn das elektronische Gerät nicht mehr benötigt wird, kann das Ganze in ungiftige Komponenten zerfallen.

Biologisch abbaubare Bits

Bao, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaft und -technik, hatte zuvor eine dehnbare Elektrode nach dem Vorbild der menschlichen Haut entwickelt. Dieses Material konnte sich so biegen und verdrehen, dass es sich mit der Haut oder dem Gehirn verbinden konnte, aber es war nicht abbaubar. Das schränkte seine Anwendung für implantierbare Geräte ein und trug – was für Bao wichtig war – zur Verschwendung bei.

Bao sagte, dass die Schaffung eines robusten Materials, das sowohl ein guter elektrischer Leiter als auch biologisch abbaubar ist, eine Herausforderung war, wenn man die traditionelle Polymerchemie berücksichtigt. „Wir haben versucht, herauszufinden, wie wir sowohl gute elektronische Eigenschaften als auch biologische Abbaubarkeit erreichen können“, sagte Bao.

Schließlich fand das Team heraus, dass das flexible Material durch eine Veränderung der chemischen Struktur bei leichter Belastung auseinanderbrechen würde. „Wir kamen auf die Idee, diese Moleküle mit einer speziellen Art von chemischer Bindung herzustellen, die die Fähigkeit des Elektrons zum reibungslosen Transport entlang des Moleküls aufrechterhalten kann“, sagte Bao. „Aber auch diese chemische Bindung ist empfindlich gegenüber schwacher Säure – sogar schwächer als reiner Essig.“ Das Ergebnis war ein Material, das ein elektronisches Signal übertragen kann, aber ohne extreme Maßnahmen abbaubar ist.

Zusätzlich zu dem biologisch abbaubaren Polymer entwickelte das Team eine neue Art von elektrischem Bauteil und ein Trägermaterial, das sich mit dem gesamten elektronischen Bauteil verbindet. Elektronische Bauteile werden normalerweise aus Gold hergestellt. Für dieses Gerät stellten die Forscher jedoch Komponenten aus Eisen her. Bao wies darauf hin, dass Eisen ein sehr umweltfreundliches Produkt ist und für den Menschen ungiftig ist.

Das Substrat, das den elektronischen Schaltkreis und das Polymer trägt, haben die Forscher aus Zellulose hergestellt. Zellulose ist derselbe Stoff, aus dem auch Papier besteht. Doch im Gegensatz zu Papier hat das Team die Zellulosefasern so verändert, dass das „Papier“ transparent und flexibel ist, sich aber dennoch leicht zersetzen lässt. Das Dünnfilmsubstrat ermöglicht es, die Elektronik auf der Haut zu tragen oder sogar in den Körper zu implantieren.

Von Implantaten zu Pflanzen

Die Kombination aus biologisch abbaubarem, leitfähigem Polymer und Substrat macht das elektronische Gerät in einer Vielzahl von Bereichen nützlich – von tragbarer Elektronik bis hin zu groß angelegten Umweltuntersuchungen mit Sensorstäuben.

„Wir stellen uns diese weichen Pflaster vor, die sehr dünn und an die Haut anpassbar sind und Blutdruck, Glukosewert und Schweißgehalt messen können“, sagte Bao. Eine Person könnte ein speziell entwickeltes Pflaster einen Tag oder eine Woche lang tragen und dann die Daten herunterladen. Laut Bao scheint diese kurzfristige Verwendung von Einwegelektronik perfekt zu einem abbaubaren, flexiblen Design zu passen.

Und es ist nicht nur für Hautuntersuchungen gedacht: Das biologisch abbaubare Substrat, die Polymere und die Eisenelektroden machen das gesamte Bauteil für den Einsatz im menschlichen Körper geeignet. Das Polymer wird zu Produktkonzentrationen abgebaut, die weit unter den veröffentlichten zulässigen Werten im Trinkwasser liegen. Obwohl sich das Polymer als biokompatibel erwiesen hat, sagte Bao, dass noch weitere Studien durchgeführt werden müssen, bevor Implantate regelmäßig eingesetzt werden können.

Bioabbaubare Elektronik hat das Potenzial, weit über die Erfassung von Herzkrankheiten und Blutzuckerdaten hinauszugehen. Diese Komponenten könnten dort eingesetzt werden, wo Erhebungen große Flächen an abgelegenen Orten abdecken. Lei beschrieb ein Forschungsszenario, bei dem biologisch abbaubare Elektronik per Flugzeug über einem Wald abgeworfen wird, um die Landschaft zu überwachen. „Es handelt sich um ein sehr großes Gebiet, in dem es sehr schwierig ist, die Sensoren zu verteilen“, sagte er. „Außerdem ist es sehr schwierig, die Sensoren wieder einzusammeln, wenn man sie verteilt hat. Man will die Umwelt nicht verunreinigen, also brauchen wir etwas, das zersetzt werden kann. Anstatt den Waldboden mit Plastik zu verschmutzen, würden sich die Sensoren biologisch abbauen.

Wenn die Zahl der elektronischen Geräte steigt, wird die biologische Abbaubarkeit immer wichtiger. Lei ist begeistert von ihren Fortschritten und möchte die Leistung biologisch abbaubarer Elektronik weiter verbessern. „Derzeit haben wir Computer und Mobiltelefone, und wir erzeugen Millionen und Milliarden von Mobiltelefonen, die schwer abbaubar sind“, sagte er. „Wir hoffen, dass wir Materialien entwickeln können, die sich zersetzen lassen, so dass weniger Abfall anfällt.“

Zu den weiteren Autoren der Studie gehören Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire und Jeffrey Tok von der Stanford University, Tsung-Ching Huang von Hewlett Packard Enterprise sowie Lei-Lai Shao und Kwang-Ting Cheng von der University of California, Santa Barbara.

Die Forschung wurde finanziert durch das Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós Stipendium; und das Kodak Graduate Fellowship.

Ursprünglich veröffentlicht in Stanford news