Foto venligst udlånt af Bao Lab: En nyudviklet fleksibel, bionedbrydelig halvleder udviklet af Stanford-ingeniører vist på et menneskehår.
Stanford News – May 1st, 2017 – by Sarah Derouin
Da elektronik bliver mere og mere gennemtrængende i vores liv – fra smartphones til bærbare sensorer – stiger også den stadig stigende mængde elektronisk affald, som de skaber. En rapport fra FN’s miljøprogram viste, at der blev smidt næsten 50 millioner tons elektronisk affald ud i 2017 – mere end 20 procent mere end affaldet i 2015.
Som følge af dette stigende affald er Stanford-ingeniør Zhenan Bao og hendes team i gang med at nytænke elektronikken. “I min gruppe har vi forsøgt at efterligne funktionen af menneskelig hud for at tænke over, hvordan vi kan udvikle fremtidige elektroniske enheder”, siger Bao. Hun beskrev, hvordan hud er strækbar, selvhelbredende og også bionedbrydelig – en attraktiv liste af egenskaber for elektronik. “Vi har opnået de to første, så bionedbrydeligheden var noget, vi ønskede at tage fat på.”
Teamet skabte en fleksibel elektronisk enhed, der let kan nedbrydes blot ved at tilsætte en svag syre som eddike. Resultaterne blev offentliggjort den 1. maj i Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Dette er det første eksempel på en halvledende polymer, der kan nedbrydes,” siger hovedforfatter Ting Lei, en postdoc, der arbejder sammen med Bao.
Ud over polymeren – i det væsentlige en fleksibel, ledende plast – udviklede holdet et nedbrydeligt elektronisk kredsløb og et nyt bionedbrydeligt substratmateriale til montering af de elektriske komponenter. Dette substrat understøtter de elektriske komponenter, idet det bøjes og formes til både ru og glatte overflader. Når der ikke længere er brug for den elektroniske enhed, kan det hele nedbrydes biologisk til ugiftige komponenter.
Biologisk nedbrydelige bits
Bao, der er professor i kemisk ingeniørvidenskab og materialevidenskab og -teknik, havde tidligere skabt en strækbar elektrode, der var modelleret efter menneskelig hud. Dette materiale kunne bøjes og vrides på en måde, der kunne gøre det muligt for det at skabe en grænseflade med huden eller hjernen, men det kunne ikke nedbrydes. Det begrænsede dets anvendelse til implantable enheder og – vigtigt for Bao – bidrog til affald.
Foto venligst udlånt af Bao Lab: Den fleksible halvleder
kan klæbe til glatte eller ru overflader og bio-
nedbrydes til ugiftige produkter.
Bao sagde, at det var en udfordring at skabe et robust materiale, der både er en god elektrisk leder og bionedbrydeligt, i betragtning af traditionel polymerkemi. “Vi har forsøgt at tænke på, hvordan vi kan opnå både gode elektroniske egenskaber, men også have den biologiske nedbrydelighed,” sagde Bao.
Eventually, the team found that by tweaking the chemical structure of the flexible material it would break apart under mild stressors. “Vi fik en idé om at lave disse molekyler ved hjælp af en særlig type kemisk binding, der kan bevare elektronernes evne til at transportere sig problemfrit langs molekylet”, sagde Bao. “Men også denne kemiske binding er følsom over for svag syre – endda svagere end ren eddike.” Resultatet var et materiale, der kunne bære et elektronisk signal, men som kunne nedbrydes uden at kræve ekstreme foranstaltninger.
Ud over den bionedbrydelige polymer udviklede holdet en ny type elektrisk komponent og et substratmateriale, der knytter sig til hele den elektroniske komponent. Elektroniske komponenter er normalt fremstillet af guld. Men til denne enhed fremstillede forskerne komponenter af jern. Bao bemærkede, at jern er et meget miljøvenligt produkt og er ugiftigt for mennesker.
Forskerne skabte substratet, som bærer det elektroniske kredsløb og polymeren, af cellulose. Cellulose er det samme stof, som papir består af. Men i modsætning til papir ændrede holdet cellulosefibrene, så “papiret” er gennemsigtigt og fleksibelt, samtidig med at det let kan nedbrydes. Det tynde filmsubstrat gør det muligt at bære elektronikken på huden eller endda implantere den inde i kroppen.
Fra implantater til planter
Kombinationen af en bionedbrydelig ledende polymer og et substrat gør den elektroniske enhed brugbar i et væld af sammenhænge – fra bærbar elektronik til omfattende miljøundersøgelser med sensorstøv.
“Vi forestiller os disse bløde plastre, der er meget tynde og tilpasses huden, og som kan måle blodtryk, glukoseværdi og svedindhold”, sagde Bao. En person kunne bære et specifikt designet plaster i en dag eller en uge og derefter downloade dataene. Ifølge Bao synes denne kortsigtede brug af engangselektronik at passe perfekt til et nedbrydeligt, fleksibelt design.
Og det er ikke kun til hudundersøgelser: Det bionedbrydelige substrat, polymerer og jernelektroder gør hele komponenten kompatibel med indsættelse i menneskekroppen. Polymeren nedbrydes til produktkoncentrationer, der er meget lavere end de offentliggjorte acceptable niveauer, der findes i drikkevand. Selv om polymeren viste sig at være biokompatibel, sagde Bao, at der skal foretages flere undersøgelser, før implantater bliver en almindelig foreteelse.
Bionedbrydelig elektronik har potentiale til at gå langt ud over indsamling af data om hjertesygdomme og glukose. Disse komponenter kunne bruges på steder, hvor undersøgelser dækker store områder på fjerntliggende steder. Lei beskrev et forskningsscenarie, hvor bionedbrydelig elektronik droppes ned fra et fly over en skov for at undersøge landskabet. “Det er et meget stort område, og det er meget svært for folk at sprede sensorerne”, sagde han. “Hvis man spreder sensorerne, er det også meget svært at samle dem ind igen. Man ønsker ikke at forurene miljøet, så vi har brug for noget, der kan nedbrydes.” I stedet for at plastik skal smide affald på skovbunden, vil sensorerne blive bionedbrydeligt nedbrudt.
Da antallet af elektronikken stiger, vil bionedbrydeligheden blive vigtigere. Lei er begejstret for deres fremskridt og ønsker fortsat at forbedre ydeevnen af bionedbrydelig elektronik. “Vi har i øjeblikket computere og mobiltelefoner, og vi genererer millioner og milliarder af mobiltelefoner, og det er svært at nedbryde”, sagde han. “Vi håber, at vi kan udvikle nogle materialer, der kan nedbrydes, så der er mindre affald.”
Andre forfattere på undersøgelsen omfatter Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire og Jeffrey Tok fra Stanford University; Tsung-Ching Huang fra Hewlett Packard Enterprise; og Lei-Lai Shao og Kwang-Ting Cheng fra University of California, Santa Barbara.
Forskningen blev finansieret af Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós-stipendium; og Kodak Graduate Fellowship.
Originalt offentliggjort på Stanford news