Joustava, orgaaninen ja biohajoava: Stanfordin tutkijat kehittävät uudenlaista elektroniikkaa

Kuva Bao Lab: Stanfordin insinöörien kehittämä uusi joustava, biologisesti hajoava puolijohde kuvattuna ihmishiuksessa.

Stanford News – 1. toukokuuta 2017 – kirjoittanut Sarah Derouin

Kun elektroniikka on yhä enemmän läsnä elämässämme – älypuhelimista puettaviin antureihin – niin myös siitä syntyvän elektroniikkajätteen määrä kasvaa jatkuvasti. YK:n ympäristöohjelman raportissa todettiin, että vuonna 2017 heitettiin pois lähes 50 miljoonaa tonnia elektroniikkaromua – yli 20 prosenttia enemmän kuin vuonna 2015.

Tästä kasvavasta jätemäärästä huolestuneena Stanfordin insinööri Zhenan Bao ja hänen tiiminsä miettivät elektroniikkaa uudelleen. ”Ryhmässäni olemme yrittäneet jäljitellä ihmisen ihon toimintaa pohtiaksemme, miten kehittää tulevaisuuden elektronisia laitteita”, Bao sanoo. Hän kuvaili, että iho on venyvää, itsestään paranevaa ja myös biologisesti hajoavaa – houkutteleva luettelo ominaisuuksista elektroniikan kannalta. ”Olemme saavuttaneet kaksi ensimmäistä , joten halusimme puuttua biohajoavuuteen.”

Ryhmä loi joustavan elektroniikkalaitteen, joka hajoaa helposti vain lisäämällä siihen heikkoa happoa, kuten etikkaa. Tulokset julkaistiin 1. toukokuuta Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä.

”Tämä on ensimmäinen esimerkki puolijohtavasta polymeeristä, joka voi hajota”, sanoo pääkirjoittaja Ting Lei, Baon kanssa työskentelevä postdoc-tohtori Ting Lei.

Polymeerin – joka on pohjimmiltaan taipuisaa, johtavaa muovia – lisäksi työryhmä kehitti hajoavan elektroniikkapiirin ja uuden biologisesti hajoavan substraattimateriaalin sähkökomponenttien kiinnittämiseen. Tämä substraatti tukee sähkökomponentteja, taipuu ja muovautuu sekä karheisiin että sileisiin pintoihin. Kun elektroniikkalaitetta ei enää tarvita, koko laite voi hajota biologisesti myrkyttömiksi komponenteiksi.

Biodegradoituvat bitit

Kemiantekniikan ja materiaalitieteen ja -tekniikan professori Bao oli aiemmin luonut ihmisen ihon mallin mukaisen venyvän elektrodin. Tuo materiaali pystyi taipumaan ja vääntymään tavalla, joka mahdollistaisi sen liittämisen ihoon tai aivoihin, mutta se ei pystynyt hajoamaan. Tämä rajoitti sen käyttöä implantoitavissa laitteissa ja – mikä on Baolle tärkeää – vaikutti osaltaan jätteiden syntymiseen.

Bao sanoi, että perinteinen polymeerikemia huomioon ottaen oli haastavaa luoda kestävä materiaali, joka on sekä hyvä sähköjohdin että biohajoava. ”Olemme yrittäneet miettiä, miten voimme saavuttaa sekä loistavan sähköisen ominaisuuden että biohajoavuuden”, Bao sanoi.

Työryhmä havaitsi lopulta, että virittämällä taipuisan materiaalin kemiallista rakennetta se hajoaa lievissä rasituksissa. ”Keksimme tehdä nämä molekyylit käyttämällä erityyppistä kemiallista sidosta, joka voi säilyttää elektronin kyvyn kulkea sujuvasti molekyyliä pitkin”, Bao sanoi. ”Mutta myös tämä kemiallinen sidos on herkkä heikolle hapolle – jopa heikommalle kuin puhdas etikka.” Tuloksena saatiin materiaali, joka pystyy kuljettamaan elektronista signaalia, mutta hajoaa ilman äärimmäisiä toimenpiteitä.

Liikenteellisesti hajoavan polymeerin lisäksi työryhmä kehitti uudenlaisen sähköisen komponentin ja substraattimateriaalin, joka kiinnittyy koko elektroniseen komponenttiin. Elektroniset komponentit on yleensä valmistettu kullasta. Mutta tätä laitetta varten tutkijat askartelivat komponentit raudasta. Bao totesi, että rauta on erittäin ympäristöystävällinen tuote eikä se ole ihmiselle myrkytöntä.

Tutkijat loivat substraatin, joka kantaa elektronisen piirin ja polymeerin, selluloosasta. Selluloosa on sama aine, josta paperi koostuu. Mutta toisin kuin paperia, työryhmä muutti selluloosakuituja niin, että ”paperi” on läpinäkyvää ja joustavaa, mutta hajoaa silti helposti. Ohutkalvoisen alustan ansiosta elektroniikkaa voidaan käyttää iholla tai jopa istuttaa kehon sisälle.

Implanteista kasveihin

biohajoavan johtavan polymeerin ja alustan yhdistelmä tekee elektroniikkalaitteesta käyttökelpoisen mitä moninaisimmissa ympäristöissä – puettavasta elektroniikasta laajamittaisiin ympäristötutkimuksiin anturipölyjen avulla.

”Visioimme näitä pehmeitä laastareita, jotka ovat hyvin ohuita ja ihoa myötäileviä, ja jotka kykenevät mittaamaan verenpaineen, glukoosin arvoa, hikoilun pitoisuutta”

Bao sanoi. Henkilö voisi käyttää erityisesti suunniteltua laastaria päivän tai viikon ajan ja ladata sitten tiedot. Baon mukaan tämä kertakäyttöelektroniikan lyhytaikainen käyttö näyttää sopivan täydellisesti hajoavaan, joustavaan muotoiluun.

Eikä kyse ole vain ihotutkimuksista: biohajoava substraatti, polymeerit ja rautaelektrodit tekevät koko komponentin yhteensopivaksi ihmiskehoon asetettavaksi. Polymeeri hajoaa tuotepitoisuuksiksi, jotka ovat paljon pienempiä kuin juomavedessä esiintyvät julkaistut hyväksyttävät pitoisuudet. Vaikka polymeerin todettiin olevan bioyhteensopiva, Bao sanoi, että lisää tutkimuksia on tehtävä, ennen kuin implantit tulevat tavallisiksi.

Biodehajoavalla elektroniikalla on potentiaalia paljon muuhunkin kuin sydänsairauksia ja glukoosia koskevien tietojen keräämiseen. Näitä komponentteja voitaisiin käyttää paikoissa, joissa tutkimukset kattavat laajoja alueita syrjäisillä paikoilla. Lei kuvaili tutkimusskenaariota, jossa biohajoavaa elektroniikkaa pudotetaan lentokoneella metsän ylle maiseman kartoittamiseksi. ”Se on hyvin suuri alue, ja ihmisten on hyvin vaikea levittää antureita”, hän sanoi. ”Jos antureita levitetään, niitä on myös hyvin vaikea kerätä takaisin. Ympäristöä ei haluta saastuttaa, joten tarvitsemme jotain, joka voidaan hajottaa.” Sen sijaan, että muovi roskaisi metsänpohjaa, anturit hajoaisivat biologisesti pois.

Kun elektroniikan määrä lisääntyy, biohajoavuus tulee entistä tärkeämmäksi. Lei on innoissaan edistysaskeleistaan ja haluaa jatkaa biohajoavan elektroniikan suorituskyvyn parantamista. ”Meillä on tällä hetkellä tietokoneita ja kännyköitä ja tuotamme miljoonia ja miljardeja kännyköitä, ja niitä on vaikea hajottaa”, hän sanoi. ”Toivomme, että voimme kehittää materiaaleja, jotka voidaan hajottaa niin, että jätettä syntyy vähemmän.”

Tutkimuksen muita kirjoittajia ovat Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire ja Jeffrey Tok Stanfordin yliopistosta, Tsung-Ching Huang Hewlett Packard Enterprisesta sekä Lei-Lai Shao ja Kwang-Ting Cheng Kalifornian yliopistosta Santa Barbarasta.

Tutkimusta rahoittivat ilmavoimien tieteellisen tutkimuksen toimisto, BASF, Marie Curie Cofund, Beatriu de Pinós -apuraha ja Kodak Graduate Fellowship.

Originally published at Stanford news

.