Fotó a Bao Lab jóvoltából: A Stanford mérnökei által kifejlesztett újonnan kifejlesztett rugalmas, biológiailag lebomló félvezető egy emberi hajszálon látható.
Stanford News – 2017. május 1. – írta Sarah Derouin
Ahogy az elektronika egyre inkább áthatja életünket – az okostelefonoktól a viselhető érzékelőkig -, úgy növekszik az általa keletkező elektronikai hulladék mennyisége is. Az ENSZ Környezetvédelmi Programjának jelentése szerint 2017-ben közel 50 millió tonna elektronikai hulladékot dobtak ki – több mint 20 százalékkal többet, mint 2015-ben.
A növekvő hulladékmennyiség miatt Zhenan Bao stanfordi mérnök és csapata újragondolja az elektronikát. “A csoportomban megpróbáltuk utánozni az emberi bőr működését, hogy elgondolkodjunk azon, hogyan fejlesszük a jövő elektronikus eszközeit” – mondta Bao. Elmondta, hogy a bőr nyújtható, öngyógyító és biológiailag lebomló – ez a tulajdonságok vonzó listája az elektronika számára. “Az első kettőt már elértük , így a biológiai lebonthatóság volt az, amivel foglalkozni akartunk.”
A csapat olyan rugalmas elektronikus eszközt hozott létre, amely könnyen lebomlik csupán egy gyenge sav, például ecet hozzáadásával. Az eredményeket május 1-jén publikálták a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban.
“Ez az első példa olyan félvezető polimerre, amely képes lebomlani” – mondta a vezető szerző, Ting Lei, a Baóval együtt dolgozó posztdoktori munkatárs.
A polimeren – lényegében egy rugalmas, vezető műanyagon – kívül a csapat kifejlesztett egy lebomló elektronikus áramkört és egy új, biológiailag lebomló hordozóanyagot az elektromos alkatrészek rögzítésére. Ez a szubsztrátum támogatja az elektromos alkatrészeket, hajlítható és alakítható durva és sima felületekre egyaránt. Amikor az elektronikus eszközre már nincs szükség, az egész biológiailag lebomlik nem mérgező összetevőkre.
Biodegradálható bitek
Bao, a vegyészmérnöki és anyagtudományi és mérnöki kar professzora korábban már létrehozott egy nyújtható elektródát az emberi bőr mintájára. Ez az anyag úgy tudott hajlítani és csavarni, hogy lehetővé tette a bőrrel vagy az aggyal való kapcsolódást, de nem tudott lebomlani. Ez korlátozta a beültethető eszközökben való alkalmazását, és – ami Bao számára fontos – hozzájárult a pazarláshoz.
Fotó a Bao Lab jóvoltából: A rugalmas félvezető
megtapadhat sima vagy érdes felületeken, és bio
nem mérgező termékekké bomlik le.
Bao szerint a hagyományos polimer kémiát figyelembe véve kihívást jelentett egy olyan robusztus anyag létrehozása, amely egyszerre jó elektromos vezető és biológiailag lebomló. “Próbáltuk kitalálni, hogyan érhetjük el mind a nagyszerű elektronikus tulajdonságot, mind a biológiai lebonthatóságot” – mondta Bao.
A csapat végül úgy találta, hogy a rugalmas anyag kémiai szerkezetének finomhangolásával az enyhe stresszhatások hatására szétesik. “Azzal az ötlettel álltunk elő, hogy ezeket a molekulákat egy speciális típusú kémiai kötés segítségével készítjük el, amely képes megtartani az elektronok zökkenőmentes közlekedésének képességét a molekulán” – mondta Bao. “De ez a kémiai kötés is érzékeny a gyenge savakra – még a tiszta ecetnél is gyengébb”. Az eredmény egy olyan anyag lett, amely képes elektronikus jelet továbbítani, de extrém intézkedések nélkül lebomlani.
A biológiailag lebomló polimer mellett a csapat kifejlesztett egy új típusú elektromos alkatrészt és egy olyan hordozóanyagot, amely az egész elektronikus alkatrészhez kapcsolódik. Az elektronikus alkatrészek általában aranyból készülnek. Ehhez az eszközhöz azonban a kutatók vasból készítettek alkatrészeket. Bao megjegyezte, hogy a vas nagyon környezetbarát termék és nem mérgező az emberre.
A kutatók az elektronikus áramkört és a polimert hordozó szubsztrátot cellulózból készítették. A cellulóz ugyanaz az anyag, amelyből a papír készül. De a papírral ellentétben a csapat megváltoztatta a cellulózrostokat, így a “papír” átlátszó és rugalmas, ugyanakkor könnyen lebomlik. A vékony filmszubsztrátum lehetővé teszi, hogy az elektronikát a bőrön viseljék, vagy akár beültessék a test belsejébe.
A beültetéstől a növényekig
A biológiailag lebomló, vezető polimer és a szubsztrátum kombinációja az elektronikus eszközt számtalan területen használhatóvá teszi – a viselhető elektronikától a nagyszabású, érzékelő porokkal végzett környezeti felmérésekig.
“Elképzeléseink szerint ezek a puha, nagyon vékony és a bőrhöz simuló tapaszok képesek a vérnyomás, a glükózérték, az izzadságtartalom mérésére” – mondta Bao. Az ember egy nap vagy egy hétig viselhetne egy kifejezetten erre a célra tervezett tapaszt, majd letölthetné az adatokat. Bao szerint az eldobható elektronikának ez a rövid távú felhasználása tökéletesnek tűnik egy lebomló, rugalmas kialakításhoz.
És nem csak bőrfelmérésre: a biológiailag lebomló szubsztrát, a polimerek és a vaselektródák az egész alkatrészt kompatibilissé teszik az emberi testbe való behelyezéssel. A polimer az ivóvízben található, közzétett elfogadható szinteknél jóval alacsonyabb termékkoncentrációra bomlik le. Bár a polimer biokompatibilisnek bizonyult, Bao szerint további vizsgálatokra van szükség, mielőtt a beültetések rendszeressé válnak.
A biológiailag lebomló elektronikában rejlik a lehetőség, hogy messze túlmutasson a szívbetegségekre és a vércukorszintre vonatkozó adatok gyűjtésén. Ezeket az alkatrészeket olyan helyeken lehetne használni, ahol a felmérések nagy területeket fednek le távoli helyeken. Lei ismertetett egy kutatási forgatókönyvet, amelyben biológiailag lebomló elektronikát dobnak le repülőgéppel egy erdő fölé, hogy felmérjék a tájat. “Ez egy nagyon nagy terület, és nagyon nehéz az embereknek szétszórni az érzékelőket” – mondta. “Továbbá, ha szétszórják az érzékelőket, nagyon nehéz visszagyűjteni őket. Nem akarjuk beszennyezni a környezetet, ezért olyasmire van szükségünk, ami lebomlik.” Ahelyett, hogy a műanyag szemetelné az erdő talaját, az érzékelők biológiailag lebomlanának.
Amint az elektronikai eszközök száma növekszik, a biológiai lebonthatóság egyre fontosabbá válik. Lei izgatott az eredményeik miatt, és szeretné tovább javítani a biológiailag lebomló elektronika teljesítményét. “Jelenleg számítógépek és mobiltelefonok vannak, és több millió és milliárd mobiltelefont generálunk, és ezeket nehéz lebomlani” – mondta. “Reméljük, hogy ki tudunk fejleszteni olyan anyagokat, amelyek lebomlanak, így kevesebb hulladék keletkezik.”
A tanulmány további szerzői: Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire és Jeffrey Tok a Stanford Egyetemről; Tsung-Ching Huang a Hewlett Packard Enterprise-tól; valamint Lei-Lai Shao és Kwang-Ting Cheng a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetemről.
A kutatást a Légierő Tudományos Kutatási Hivatala, a BASF, a Marie Curie Cofund, a Beatriu de Pinós ösztöndíj és a Kodak Graduate Fellowship finanszírozta.
Eredetileg a Stanford news
oldalon jelent meg.