Foto cortesía del Laboratorio Bao: Un semiconductor flexible y biodegradable recientemente desarrollado por los ingenieros de Stanford mostrado en un cabello humano.
Stanford News – 1 de mayo de 2017 – por Sarah Derouin
A medida que la electrónica se vuelve cada vez más omnipresente en nuestras vidas -desde los teléfonos inteligentes hasta los sensores vestibles- también aumenta la cantidad de residuos electrónicos que generan. Un informe del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente descubrió que en 2017 se tiraron casi 50 millones de toneladas de residuos electrónicos, más de un 20% más que los residuos de 2015.
Problemados por este aumento de los residuos, la ingeniera de Stanford Zhenan Bao y su equipo están repensando la electrónica. «En mi grupo, hemos tratado de imitar la función de la piel humana para pensar en cómo desarrollar futuros dispositivos electrónicos», dijo Bao. Describió cómo la piel es estirable, autocurable y también biodegradable, una atractiva lista de características para la electrónica. «Hemos conseguido las dos primeras, así que la biodegradabilidad era algo que queríamos abordar».
El equipo creó un dispositivo electrónico flexible que puede degradarse fácilmente con sólo añadir un ácido débil como el vinagre. Los resultados se publicaron el 1 de mayo en Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Este es el primer ejemplo de un polímero semiconductor que puede descomponerse», dijo el autor principal Ting Lei, un becario postdoctoral que trabaja con Bao.
Además del polímero -esencialmente un plástico flexible y conductor- el equipo desarrolló un circuito electrónico degradable y un nuevo material de sustrato biodegradable para montar los componentes eléctricos. Este sustrato soporta los componentes eléctricos, flexionándose y amoldándose a superficies rugosas y lisas por igual. Cuando el dispositivo electrónico ya no se necesita, todo puede biodegradarse en componentes no tóxicos.
Bits biodegradables
Bao, profesor de ingeniería química y ciencia e ingeniería de los materiales, había creado anteriormente un electrodo estirable modelado en la piel humana. Ese material podía doblarse y retorcerse de forma que pudiera interactuar con la piel o el cerebro, pero no podía degradarse. Eso limitaba su aplicación para dispositivos implantables y -importante para Bao- contribuía a los residuos.
Foto por cortesía del laboratorio Bao: El semiconductor flexible
puede adherirse a superficies lisas o rugosas y bio-
degradarse hasta convertirse en productos no tóxicos.
Bao dijo que crear un material robusto que sea a la vez un buen conductor eléctrico y biodegradable fue un reto, teniendo en cuenta la química tradicional de los polímeros. «Hemos tratado de pensar cómo podemos conseguir tanto una gran propiedad electrónica como la biodegradabilidad», dijo Bao.
Finalmente, el equipo descubrió que, ajustando la estructura química del material flexible, éste se rompería bajo tensiones leves. «Se nos ocurrió la idea de fabricar estas moléculas utilizando un tipo especial de enlace químico que puede conservar la capacidad de que el electrón se transporte sin problemas a lo largo de la molécula», dijo Bao. «Pero además este enlace químico es sensible al ácido débil, incluso más débil que el vinagre puro». El resultado fue un material que podía transportar una señal electrónica pero romperse sin necesidad de medidas extremas.
Además del polímero biodegradable, el equipo desarrolló un nuevo tipo de componente eléctrico y un material de sustrato que se adhiere a todo el componente electrónico. Los componentes electrónicos suelen estar hechos de oro. Pero para este dispositivo, los investigadores elaboraron los componentes con hierro. Bao señaló que el hierro es un producto muy respetuoso con el medio ambiente y no es tóxico para los humanos.
Los investigadores crearon el sustrato, que lleva el circuito electrónico y el polímero, a partir de celulosa. La celulosa es la misma sustancia que compone el papel. Pero, a diferencia del papel, el equipo modificó las fibras de celulosa para que el «papel» sea transparente y flexible, sin dejar de descomponerse fácilmente. El sustrato de película fina permite llevar la electrónica sobre la piel o incluso implantarla en el interior del cuerpo.
De los implantes a las plantas
La combinación de un polímero conductor biodegradable y el sustrato hace que el dispositivo electrónico sea útil en una plétora de escenarios: desde la electrónica vestible hasta los estudios medioambientales a gran escala con polvos sensores.
«Imaginamos estos parches blandos que son muy finos y se ajustan a la piel y que pueden medir la presión sanguínea, el valor de la glucosa, el contenido del sudor», dijo Bao. Una persona podría llevar un parche específicamente diseñado durante un día o una semana, y luego descargar los datos. Según Bao, este uso a corto plazo de la electrónica desechable parece encajar perfectamente en un diseño degradable y flexible.
Y no sólo sirve para medir la piel: el sustrato biodegradable, los polímeros y los electrodos de hierro hacen que todo el componente sea compatible con la inserción en el cuerpo humano. El polímero se descompone hasta alcanzar concentraciones de producto muy inferiores a los niveles aceptables publicados que se encuentran en el agua potable. Aunque el polímero resultó ser biocompatible, Bao dijo que habría que realizar más estudios antes de que los implantes sean algo habitual.
La electrónica biodegradable tiene el potencial de ir mucho más allá de la recogida de datos sobre enfermedades cardíacas y glucosa. Estos componentes podrían utilizarse en lugares donde las encuestas cubren grandes áreas en lugares remotos. Lei describió un escenario de investigación en el que la electrónica biodegradable se deja caer en un avión sobre un bosque para estudiar el paisaje. «Es un área muy grande y es muy difícil que la gente esparza los sensores», dijo. «Además, si se esparcen los sensores, es muy difícil recogerlos de nuevo. No quieres contaminar el medio ambiente, así que necesitamos algo que se pueda descomponer». En lugar de que el plástico ensucie el suelo del bosque, los sensores se biodegradarían.
A medida que aumente el número de aparatos electrónicos, la biodegradabilidad será más importante. Lei está entusiasmado con sus avances y quiere seguir mejorando el rendimiento de la electrónica biodegradable. «Actualmente tenemos ordenadores y teléfonos móviles y generamos millones y miles de millones de teléfonos móviles, y es difícil de descomponer», dijo. «Esperamos poder desarrollar algunos materiales que puedan descomponerse para que haya menos residuos».
Otros autores del estudio son Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire y Jeffrey Tok, de la Universidad de Stanford; Tsung-Ching Huang, de Hewlett Packard Enterprise; y Lei-Lai Shao y Kwang-Ting Cheng, de la Universidad de California en Santa Bárbara.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea; BASF; Marie Curie Cofund; la beca Beatriu de Pinós; y la Kodak Graduate Fellowship.
Publicado originalmente en Stanford news