Photo courtesy Bao Lab: スタンフォード大学のエンジニアが新たに開発したフレキシブルで生分解性のある半導体を人毛で示したもの
Stanford News – May 1st, 2017 – by Sarah Derouin
スマートフォンから装着型センサーまで、電子機器がますます生活に浸透するにつれ、それが生み出す電子廃棄物の量も増えつづけています。 国連環境計画の報告書によると、2017年には約5000万トンの電子廃棄物が捨てられ、2015年の廃棄物よりも20％以上多くなっています。
このように増え続ける廃棄物に悩む、スタンフォード大学のエンジニアZhenan Bao氏と彼女のチームは、電子機器を見直すことにしました。 「私のグループでは、人間の皮膚の機能を模倣して、将来の電子デバイスの開発方法について考えています」とBao氏は言います。 皮膚は伸縮自在で、自己修復性があり、生分解性もあるという、電子機器にとって魅力的な特性を持っていることを説明した。 「研究チームは、酢のような弱酸を加えるだけで簡単に分解できる、柔軟な電子デバイスを作りました。 この成果は、5月1日発行の『Proceedings of the National Academy of Sciences』に掲載された。
「これは、分解できる半導体ポリマーの最初の例です」と、Bao氏と共同研究している博士研究員のTing Lei氏は言います。
ポリマー（基本的には柔軟な導電性プラスチック）に加えて、研究チームは分解性電子回路と電気部品を実装する新しい生分解性基板材料も開発しました。 この基板は、電気部品を支え、粗い表面にも滑らかな表面にも曲げたり成形したりすることができます。 6268>
生分解性ビット
化学工学および材料科学・工学の教授であるBao氏は、以前、人間の皮膚をモデルにした伸縮自在の電極を作成しました。 その材料は、皮膚や脳とのインターフェースを可能にするような方法で曲げたりねじったりすることができましたが、分解することができなかったのです。
は、滑らかな表面にも粗い表面にも付着でき、生体
分解されて無毒な製品になります。
Bao氏は、優れた電気伝導性と生分解性の両方を持つ堅牢な材料を作ることは、従来のポリマー化学を考えると難しいことだったと語っています。 「私たちは、優れた電子的特性と生分解性の両方を達成する方法を考えようとしていました」と、Bao 氏は語ります。
結局、研究チームは、柔軟な材料の化学構造を微調整することにより、軽いストレスで分解されることを発見しました。 「私たちは、電子が分子に沿ってスムーズに移動する能力を維持できる、特殊なタイプの化学結合を使用して、これらの分子を作るというアイデアを思いつきました」と、Bao 氏は述べています。 「しかし、この化学結合は、弱酸性で、純粋な酢よりもさらに弱いのです。 その結果、電子信号を伝えることができ、しかし極端な手段を必要とせずに分解できる材料ができました。
生分解性ポリマーに加えて、研究チームは、新しいタイプの電気部品と、電子部品全体に付着する基板材料を開発しました。 電子部品は通常、金でできています。 しかし、この装置では、研究者たちは鉄から部品を作り上げた。 Bao教授は、鉄は非常に環境に優しい製品であり、人体にも無害であると指摘した。
研究チームは、電子回路とポリマーを搭載する基板をセルロースから作成した。 セルロースは、紙を構成する物質と同じものです。 しかし、紙とは異なり、研究チームはセルロースの繊維を変化させ、「紙」が透明で柔軟でありながら、簡単に分解できるようにした。
インプラントから植物まで
生分解性導電性ポリマーと基板の組み合わせにより、電子デバイスは、ウェアラブル電子機器からセンサーダストを用いた大規模環境調査まで、多くの場面で有用となります。 人は、特別に設計されたパッチを 1 日または 1 週間装着し、データをダウンロードすることができます。 Bao 氏によると、使い捨ての電子機器のこのような短期間の使用は、分解可能で柔軟な設計にぴったりなようです。
また、皮膚調査だけでなく、生分解性基板、ポリマー、鉄電極により、コンポーネント全体が人体への挿入に適合しています。 ポリマーは分解され、飲料水に含まれる公表されている許容濃度よりもはるかに低い濃度にまで生成されます。 ポリマーは生体適合性があることがわかりましたが、Bao は、インプラントが常態化する前にさらに研究を行う必要があると述べています。
生分解性エレクトロニクスは、心臓病やグルコースのデータ収集をはるかに超える可能性を持っています。 これらのコンポーネントは、調査が遠隔地の広い範囲をカバーするような場所で使用される可能性があります。 Leiは、生分解性エレクトロニクスを飛行機で森林の上に投下し、景観を調査する研究シナリオを説明しました。 “非常に広い地域なので、人がセンサーを広げるのは非常に難しいのです。 「また、センサーを撒いてしまうと、それを回収するのも大変です。 環境を汚染したくないので、分解できるものが必要なのです。” プラスチックが林床に散乱する代わりに、センサーは生分解されてなくなるでしょう。
電子機器の数が増えるにつれて、生分解性がより重要になるでしょう。 Leiは、彼らの進歩に興奮し、生分解性エレクトロニクスの性能を向上させ続けたいと考えている。 “現在、私たちはコンピューターと携帯電話を持っており、何百万、何十億という携帯電話を生み出していますが、分解するのは難しいのです “と彼は言いました。 「この研究の他の著者は、スタンフォード大学の Ming Guan、Jia Liu、Hung-Cheng Lin、Raphael Pfattner、Leo Shaw、Allister McGuire、および Jeffrey Tok、Hewlett Packard Enterprise の Tsung-Ching Huang、およびカリフォルニア大学サンタバーバラ校の Lei-Lai Shao と Kwang-Ting Cheng が含まれます。
この研究は、空軍科学研究局、BASF、マリー・キュリー基金、Beatriu de Pinós フェローシップ、コダック大学院フェローシップから資金提供を受けています。