Foto per gentile concessione del Laboratorio Bao: Un nuovo semiconduttore flessibile e biodegradabile sviluppato dagli ingegneri di Stanford mostrato su un capello umano.
Stanford News – 1 maggio 2017 – di Sarah Derouin
Come l’elettronica diventa sempre più pervasiva nelle nostre vite – dagli smartphone ai sensori indossabili – così fa anche la quantità sempre crescente di rifiuti elettronici che creano. Un rapporto del Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente ha rilevato che quasi 50 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici sono stati gettati nel 2017 – più del 20 per cento in più rispetto ai rifiuti del 2015.
Sfiduciati da questo aumento dei rifiuti, l’ingegnere di Stanford Zhenan Bao e il suo team stanno ripensando l’elettronica. “Nel mio gruppo, abbiamo cercato di imitare la funzione della pelle umana per pensare a come sviluppare futuri dispositivi elettronici”, ha detto Bao. Ha descritto come la pelle sia estensibile, auto-riparabile e anche biodegradabile – una lista attraente di caratteristiche per l’elettronica. “Abbiamo raggiunto i primi due, quindi la biodegradabilità era qualcosa che volevamo affrontare.”
Il team ha creato un dispositivo elettronico flessibile che può facilmente degradarsi semplicemente aggiungendo un acido debole come l’aceto. I risultati sono stati pubblicati il 1 maggio in Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Questo è il primo esempio di un polimero semiconduttivo che può decomporsi”, ha detto l’autore principale Ting Lei, un borsista post-dottorato che lavora con Bao.
In aggiunta al polimero – essenzialmente una plastica flessibile e conduttiva – il team ha sviluppato un circuito elettronico degradabile e un nuovo materiale substrato biodegradabile per il montaggio dei componenti elettrici. Questo substrato supporta i componenti elettrici, flettendosi e modellandosi alle superfici ruvide e lisce allo stesso modo. Quando il dispositivo elettronico non è più necessario, il tutto può biodegradarsi in componenti non tossici.
Bit biodegradabili
Bao, professore di ingegneria chimica e scienza e ingegneria dei materiali, aveva precedentemente creato un elettrodo estensibile modellato sulla pelle umana. Quel materiale poteva piegarsi e torcersi in un modo che poteva permettergli di interfacciarsi con la pelle o il cervello, ma non poteva degradarsi. Questo limitava la sua applicazione per i dispositivi impiantabili e – importante per Bao – contribuiva allo spreco.
Foto per gentile concessione del Laboratorio Bao: Il semiconduttore flessibile
può aderire a superfici lisce o ruvide e bio-
degradarsi in prodotti non tossici.
Bao ha detto che creare un materiale robusto che è sia un buon conduttore elettrico che biodegradabile è stata una sfida, considerando la chimica tradizionale dei polimeri. “Abbiamo cercato di pensare a come possiamo ottenere sia una grande proprietà elettronica, ma anche la biodegradabilità”, ha detto Bao.
Alla fine, il team ha scoperto che modificando la struttura chimica del materiale flessibile si sarebbe rotto sotto lievi sollecitazioni. “Abbiamo avuto l’idea di fare queste molecole usando un tipo speciale di legame chimico che può mantenere la capacità dell’elettrone di trasportarsi agevolmente lungo la molecola”, ha detto Bao. “Ma anche questo legame chimico è sensibile all’acido debole – anche più debole dell’aceto puro”. Il risultato è stato un materiale che potrebbe trasportare un segnale elettronico ma rompersi senza richiedere misure estreme.
Oltre al polimero biodegradabile, il team ha sviluppato un nuovo tipo di componente elettrico e un materiale di substrato che si attacca all’intero componente elettronico. I componenti elettronici sono di solito fatti di oro. Ma per questo dispositivo, i ricercatori hanno realizzato componenti in ferro. Bao ha notato che il ferro è un prodotto molto ecologico e non è tossico per gli esseri umani.
I ricercatori hanno creato il substrato, che porta il circuito elettronico e il polimero, dalla cellulosa. La cellulosa è la stessa sostanza che compone la carta. Ma a differenza della carta, il team ha alterato le fibre di cellulosa in modo che la “carta” sia trasparente e flessibile, pur rompendosi facilmente. Il substrato di film sottile permette all’elettronica di essere indossata sulla pelle o addirittura impiantata all’interno del corpo.
Dagli impianti alle piante
La combinazione di un polimero conduttivo biodegradabile e del substrato rende il dispositivo elettronico utile in una pletora di impostazioni – dall’elettronica indossabile alle indagini ambientali su larga scala con polveri di sensori.
“Immaginiamo queste patch morbide che sono molto sottili e conformabili alla pelle che possono misurare la pressione sanguigna, il valore del glucosio, il contenuto di sudore,” ha detto Bao. Una persona potrebbe indossare un cerotto appositamente progettato per un giorno o una settimana, quindi scaricare i dati. Secondo Bao, questo uso a breve termine dell’elettronica usa e getta sembra una misura perfetta per un design degradabile e flessibile.
E non è solo per le indagini sulla pelle: il substrato biodegradabile, i polimeri e gli elettrodi di ferro rendono l’intero componente compatibile con l’inserimento nel corpo umano. Il polimero si rompe a concentrazioni di prodotto molto più basse dei livelli accettabili pubblicati che si trovano nell’acqua potabile. Anche se il polimero è stato trovato biocompatibile, Bao ha detto che più studi dovrebbero essere fatti prima che gli impianti siano un evento regolare.
L’elettronica biodegradabile ha il potenziale per andare ben oltre la raccolta di malattie cardiache e dati sul glucosio. Questi componenti potrebbero essere utilizzati in luoghi dove le indagini coprono grandi aree in luoghi remoti. Lei ha descritto uno scenario di ricerca in cui l’elettronica biodegradabile viene lasciata cadere da un aereo sopra una foresta per sondare il paesaggio. “È un’area molto grande e molto difficile per le persone diffondere i sensori”, ha detto. “Inoltre, se si spargono i sensori, è molto difficile raccoglierli. Non si vuole contaminare l’ambiente, quindi abbiamo bisogno di qualcosa che possa essere decomposto”. Invece della plastica che sporca il suolo della foresta, i sensori si biodegraderanno.
Con l’aumento del numero di dispositivi elettronici, la biodegradabilità diventerà più importante. Lei è entusiasta dei loro progressi e vuole continuare a migliorare le prestazioni dell’elettronica biodegradabile. “Attualmente abbiamo computer e telefoni cellulari e generiamo milioni e miliardi di telefoni cellulari, ed è difficile da decomporre”, ha detto. “Speriamo di poter sviluppare alcuni materiali che possono essere decomposti in modo che ci siano meno rifiuti.”
Altri autori dello studio sono Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire e Jeffrey Tok della Stanford University; Tsung-Ching Huang di Hewlett Packard Enterprise; e Lei-Lai Shao e Kwang-Ting Cheng della University of California, Santa Barbara.
La ricerca è stata finanziata da Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós fellowship; e Kodak Graduate Fellowship.
Originariamente pubblicato su Stanford news