Foto courtesy Bao Lab: Een nieuw ontwikkelde flexibele, biologisch afbreekbare halfgeleider ontwikkeld door Stanford-ingenieurs getoond op een menselijke haar.
Stanford News – May 1st, 2017 – door Sarah Derouin
Naarmate elektronica steeds alomtegenwoordiger wordt in ons leven – van smartphones tot draagbare sensoren – neemt ook de almaar toenemende hoeveelheid elektronisch afval die ze creëren toe. Uit een rapport van het Milieuprogramma van de Verenigde Naties bleek dat in 2017 bijna 50 miljoen ton elektronisch afval werd weggegooid – meer dan 20 procent meer dan het afval in 2015.
Getroffen door dit toenemende afval, zijn Stanford-ingenieur Zhenan Bao en haar team bezig met het heroverwegen van elektronica. “In mijn groep hebben we geprobeerd om de functie van de menselijke huid na te bootsen om na te denken over hoe we toekomstige elektronische apparaten kunnen ontwikkelen,” zei Bao. Ze beschreef hoe huid rekbaar, zelfherstellend en ook biologisch afbreekbaar is – een aantrekkelijke lijst van eigenschappen voor elektronica. “We hebben de eerste twee bereikt, dus de biologische afbreekbaarheid was iets wat we wilden aanpakken.”
Het team creëerde een flexibel elektronisch apparaat dat gemakkelijk kan worden afgebroken door alleen maar een zwak zuur zoals azijn toe te voegen. De resultaten zijn op 1 mei gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Dit is het eerste voorbeeld van een halfgeleidend polymeer dat kan ontbinden,” zei hoofdauteur Ting Lei, een postdoctoraal fellow die samenwerkt met Bao.
Naast het polymeer – in wezen een flexibel, geleidend plastic – ontwikkelde het team een afbreekbaar elektronisch circuit en een nieuw biologisch afbreekbaar substraatmateriaal voor het monteren van de elektrische componenten. Dit substraat ondersteunt de elektrische componenten, buigt en vormt zich naar zowel ruwe als gladde oppervlakken. Wanneer het elektronische apparaat niet langer nodig is, kan het geheel biologisch worden afgebroken tot niet-giftige componenten.
Biodegradeerbare bits
Bao, een hoogleraar chemische engineering en materiaalwetenschappen en engineering, had eerder een rekbare elektrode gemaakt, gemodelleerd naar de menselijke huid. Dat materiaal kon buigen en draaien op een manier die het in staat zou stellen om te interfacen met de huid of de hersenen, maar het kon niet degraderen. Dat beperkte de toepassing ervan voor implanteerbare apparaten en – belangrijk voor Bao – droeg bij tot afval.
Foto met dank aan Bao Lab: De flexibele halfgeleider
kan zich hechten aan gladde of ruwe oppervlakken en bio-
afbreken tot niet-giftige producten.
Bao zei dat het creëren van een robuust materiaal dat zowel een goede elektrische geleider als biologisch afbreekbaar is, een uitdaging was, gezien de traditionele polymeerchemie. “We hebben geprobeerd te bedenken hoe we zowel geweldige elektronische eigenschappen kunnen bereiken, maar ook de biologische afbreekbaarheid hebben,” zei Bao.
Uiteindelijk vond het team dat door de chemische structuur van het flexibele materiaal te tweaken, het uit elkaar zou breken onder milde stressoren. “We kwamen op het idee om deze moleculen te maken met behulp van een speciaal type chemische binding die de mogelijkheid kan behouden voor het elektron om soepel langs het molecuul te transporteren,” zei Bao. “Maar ook deze chemische binding is gevoelig voor zwak zuur – zelfs zwakker dan pure azijn.” Het resultaat was een materiaal dat een elektronisch signaal kon dragen, maar afbreken zonder dat extreme maatregelen nodig waren.
Naast het biologisch afbreekbare polymeer ontwikkelde het team een nieuw type elektrische component en een substraatmateriaal dat zich aan de hele elektronische component hecht. Elektronische componenten zijn meestal gemaakt van goud. Maar voor dit apparaat maakten de onderzoekers componenten van ijzer. Bao merkte op dat ijzer een zeer milieuvriendelijk product is en niet giftig is voor de mens.
De onderzoekers maakten het substraat, dat het elektronische circuit en het polymeer draagt, van cellulose. Cellulose is dezelfde stof waaruit papier bestaat. Maar in tegenstelling tot papier, veranderde het team cellulosevezels zodat het “papier” transparant en flexibel is, terwijl het toch gemakkelijk afbreekt. Dankzij het dunne filmsubstraat kan de elektronica op de huid worden gedragen of zelfs in het lichaam worden geïmplanteerd.
Van implantaten tot planten
De combinatie van een biologisch afbreekbaar geleidend polymeer en substraat maakt het elektronische apparaat bruikbaar in een veelheid van omgevingen – van draagbare elektronica tot grootschalige milieuonderzoeken met sensorstofjes.
“We stellen ons deze zachte patches voor die heel dun zijn en zich aan de huid aanpassen en die de bloeddruk, glucosewaarde en het zweetgehalte kunnen meten,” zei Bao. Een persoon zou een speciaal ontworpen patch een dag of een week kunnen dragen en vervolgens de gegevens kunnen downloaden. Volgens Bao lijkt dit kortetermijngebruik van wegwerpelektronica perfect te passen bij een afbreekbaar, flexibel ontwerp.
En het is niet alleen voor huidonderzoeken: het biologisch afbreekbare substraat, de polymeren en de ijzeren elektroden maken de hele component compatibel met inbrenging in het menselijk lichaam. Het polymeer breekt af tot productconcentraties die veel lager zijn dan de gepubliceerde aanvaardbare niveaus die in drinkwater worden aangetroffen. Hoewel het polymeer biocompatibel werd bevonden, zei Bao dat meer studies zouden moeten worden gedaan voordat implantaten een regelmatige verschijning zijn.
Biologisch afbreekbare elektronica heeft het potentieel om veel verder te gaan dan het verzamelen van gegevens over hartziekten en glucose. Deze componenten zouden kunnen worden gebruikt op plaatsen waar enquêtes grote gebieden bestrijken op afgelegen locaties. Lei beschreef een onderzoeksscenario waarbij biologisch afbreekbare elektronica met een vliegtuig boven een bos wordt gedropt om het landschap in kaart te brengen. “Het is een erg groot gebied en erg moeilijk voor mensen om de sensoren te verspreiden,” zei hij. “Als je de sensoren verspreidt, is het ook heel moeilijk om ze terug te verzamelen. Je wilt het milieu niet vervuilen, dus hebben we iets nodig dat kan worden afgebroken.” In plaats van plastic dat de bosbodem vervuilt, zouden de sensoren biologisch afbreken.
Naarmate het aantal elektronica toeneemt, zal biologische afbreekbaarheid belangrijker worden. Lei is enthousiast over hun vooruitgang en wil de prestaties van biologisch afbreekbare elektronica blijven verbeteren. “We hebben momenteel computers en mobiele telefoons en we genereren miljoenen en miljarden mobiele telefoons, en het is moeilijk om te ontleden,” zei hij. “We hopen dat we een aantal materialen kunnen ontwikkelen die kunnen worden afgebroken, zodat er minder afval is.”
Andere auteurs van de studie zijn Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire, en Jeffrey Tok van Stanford University; Tsung-Ching Huang van Hewlett Packard Enterprise; en Lei-Lai Shao en Kwang-Ting Cheng van University of California, Santa Barbara.
Het onderzoek werd gefinancierd door het Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós-beurs; en de Kodak Graduate Fellowship.
Origineel gepubliceerd op Stanford news