Giętkie, organiczne i biodegradowalne: Stanford researchers develop new wave of electronics

Photo courtesy Bao Lab: Nowo opracowany elastyczny, biodegradowalny półprzewodnik opracowany przez inżynierów Stanforda pokazany na ludzkim włosie.

Stanford News – May 1st, 2017 – by Sarah Derouin

As electronics become increasingly pervasive in our lives – from smart phones to wearable sensors – so too does the ever rising amount of electronic waste they create. Raport Programu Środowiskowego Organizacji Narodów Zjednoczonych wykazał, że prawie 50 milionów ton odpadów elektronicznych zostało wyrzuconych w 2017 roku – o ponad 20 procent więcej niż odpadów w 2015 roku.

Troskany tym rosnącym odpadem, inżynier Stanford Zhenan Bao i jej zespół ponownie myślą o elektronice. „W mojej grupie próbowaliśmy naśladować funkcje ludzkiej skóry, aby zastanowić się, jak opracować przyszłe urządzenia elektroniczne” – powiedziała Bao. Opisała, że skóra jest rozciągliwa, samoregenerująca się, a także biodegradowalna – atrakcyjna lista cech dla elektroniki. „Udało nam się osiągnąć pierwsze dwa , więc biodegradowalność była czymś, czym chcieliśmy się zająć.”

Zespół stworzył elastyczne urządzenie elektroniczne, które może łatwo ulec degradacji po prostu przez dodanie słabego kwasu, takiego jak ocet. Wyniki zostały opublikowane 1 maja w Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Jest to pierwszy przykład polimeru półprzewodzącego, który może ulec rozkładowi,” powiedział główny autor Ting Lei, stypendysta podoktorski pracujący z Bao.

Oprócz polimeru – zasadniczo elastycznego, przewodzącego plastiku – zespół opracował degradowalny obwód elektroniczny i nowy biodegradowalny materiał podłoża do montażu komponentów elektrycznych. Podłoże to wspiera komponenty elektryczne, zginając się i formując do szorstkich i gładkich powierzchni. Kiedy urządzenie elektroniczne nie jest już potrzebne, całość może ulec biodegradacji do nietoksycznych komponentów.

Biodegradowalne bity

Bao, profesor inżynierii chemicznej oraz nauki i inżynierii materiałowej, stworzył wcześniej rozciągliwą elektrodę wzorowaną na ludzkiej skórze. Materiał ten mógł się zginać i skręcać w sposób, który umożliwiałby mu współpracę ze skórą lub mózgiem, ale nie mógł ulegać degradacji. To ograniczało jego zastosowanie w urządzeniach wszczepialnych i – co ważne dla Bao – przyczyniało się do powstawania odpadów.

Bao powiedział, że stworzenie wytrzymałego materiału, który jest zarówno dobrym przewodnikiem elektrycznym, jak i biodegradowalny, było wyzwaniem, biorąc pod uwagę tradycyjną chemię polimerów. „Staraliśmy się myśleć, jak możemy osiągnąć zarówno świetne właściwości elektroniczne, ale także mieć biodegradowalność,” powiedział Bao.

W końcu zespół odkrył, że poprzez podrasowanie struktury chemicznej elastycznego materiału rozpadnie się on pod wpływem łagodnych czynników stresowych. „Wpadliśmy na pomysł, aby te cząsteczki za pomocą specjalnego rodzaju wiązania chemicznego, który może zachować zdolność dla elektronu do płynnego transportu wzdłuż cząsteczki,” Bao powiedział. „Ale również to wiązanie chemiczne jest wrażliwe na słaby kwas – nawet słabszy niż czysty ocet”. Rezultatem był materiał, który mógł przenosić sygnał elektroniczny, ale rozpadać się bez konieczności stosowania ekstremalnych środków.

W uzupełnieniu do biodegradowalnego polimeru, zespół opracował nowy typ komponentu elektrycznego i materiał podłoża, który dołącza się do całego komponentu elektronicznego. Komponenty elektroniczne są zazwyczaj wykonane ze złota. Jednak w przypadku tego urządzenia, badacze wykonali komponenty z żelaza. Bao zauważył, że żelazo jest produktem bardzo przyjaznym dla środowiska i jest nietoksyczne dla ludzi.

Badacze stworzyli podłoże, które przenosi obwód elektroniczny i polimer, z celulozy. Celuloza jest tą samą substancją, z której zbudowany jest papier. Ale w przeciwieństwie do papieru, zespół zmienił włókna celulozy tak, że „papier” jest przezroczysty i elastyczny, a jednocześnie łatwo się łamie. Cienkie podłoże filmowe pozwala na noszenie elektroniki na skórze lub nawet wszczepianie jej do wnętrza ciała.

Od implantów do roślin

Połączenie biodegradowalnego polimeru przewodzącego i podłoża sprawia, że urządzenie elektroniczne może być użyteczne w wielu zastosowaniach – od elektroniki do noszenia po zakrojone na szeroką skalę badania środowiskowe z użyciem pyłów sensorycznych.

„Przewidujemy te miękkie plastry, które są bardzo cienkie i dopasowują się do skóry, które mogą mierzyć ciśnienie krwi, wartość glukozy, zawartość potu” – powiedział Bao. Osoba mogłaby nosić specjalnie zaprojektowaną łatę przez dzień lub tydzień, a następnie pobrać dane. Według Bao, to krótkoterminowe zastosowanie elektroniki jednorazowego użytku wydaje się idealnie pasować do degradowalnej, elastycznej konstrukcji.

I to nie tylko do badań skóry: biodegradowalne podłoże, polimery i żelazne elektrody sprawiają, że cały komponent jest kompatybilny z wprowadzaniem do ludzkiego ciała. Polimer rozkłada się do stężenia produktu znacznie niższego niż opublikowane dopuszczalne poziomy występujące w wodzie pitnej. Chociaż polimer okazał się biokompatybilny, Bao powiedział, że należałoby przeprowadzić więcej badań, zanim implanty staną się regularnym zjawiskiem.

Biodegradowalna elektronika ma potencjał, aby wyjść daleko poza zbieranie danych o chorobach serca i glukozie. Komponenty te mogłyby być stosowane w miejscach, gdzie badania obejmują duże obszary w odległych lokalizacjach. Lei opisał scenariusz badań, w którym biodegradowalna elektronika jest zrzucana samolotem nad lasem w celu zbadania krajobrazu. „To bardzo duży obszar i bardzo trudno jest ludziom rozprowadzić czujniki” – powiedział. „Ponadto, jeśli rozrzucisz czujniki, bardzo trudno jest je zebrać z powrotem. Nie chcesz zanieczyszczać środowiska, więc potrzebujemy czegoś, co może być rozkładane.” Zamiast plastiku zaśmiecającego dno lasu, czujniki uległyby biodegradacji.

W miarę wzrostu ilości elektroniki, biodegradowalność będzie stawała się coraz ważniejsza. Lei jest podekscytowany postępem i chce nadal poprawiać wydajność biodegradowalnej elektroniki. „Obecnie mamy komputery i telefony komórkowe i generujemy miliony i miliardy telefonów komórkowych, a to jest trudne do rozkładu,” powiedział. „Mamy nadzieję, że możemy opracować pewne materiały, które mogą być rozkładane, aby było mniej odpadów.”

Inni autorzy badania to Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire i Jeffrey Tok z Uniwersytetu Stanforda; Tsung-Ching Huang z Hewlett Packard Enterprise; oraz Lei-Lai Shao i Kwang-Ting Cheng z University of California, Santa Barbara.

Badania zostały sfinansowane przez Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós fellowship; oraz Kodak Graduate Fellowship.

Originally published at Stanford news

.