Fotografie prin amabilitatea Bao Lab: Un nou semiconductor flexibil și biodegradabil dezvoltat de inginerii de la Stanford, prezentat pe un fir de păr uman.
Stanford News – 1 mai 2017 – de Sarah Derouin
Ca urmare a faptului că electronicele devin din ce în ce mai omniprezente în viețile noastre – de la telefoane inteligente la senzori purtabili – la fel se întâmplă și cu cantitatea tot mai mare de deșeuri electronice pe care le creează. Un raport al Programului Națiunilor Unite pentru Mediu a constatat că aproape 50 de milioane de tone de deșeuri electronice au fost aruncate în 2017 – cu peste 20 la sută mai mult decât deșeurile din 2015.
Tocată de această creștere a deșeurilor, inginerul Zhenan Bao de la Stanford și echipa sa regândesc electronicele. „În grupul meu, am încercat să imităm funcția pielii umane pentru a ne gândi cum să dezvoltăm viitoarele dispozitive electronice”, a declarat Bao. Ea a descris cum pielea este extensibilă, autovindecabilă și, de asemenea, biodegradabilă – o listă atractivă de caracteristici pentru electronice. „Le-am realizat pe primele două , așa că biodegradabilitatea a fost ceva ce am vrut să abordăm.”
Echipa a creat un dispozitiv electronic flexibil care se poate degrada cu ușurință doar prin adăugarea unui acid slab precum oțetul. Rezultatele au fost publicate la 1 mai în Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Acesta este primul exemplu de polimer semiconductor care se poate descompune”, a declarat autorul principal Ting Lei, un bursier postdoctoral care lucrează cu Bao.
În plus față de polimer – în esență un plastic flexibil și conductiv – echipa a dezvoltat un circuit electronic degradabil și un nou material de substrat biodegradabil pentru montarea componentelor electrice. Acest substrat susține componentele electrice, flexându-se și modelându-se la suprafețe aspre și netede deopotrivă. Când dispozitivul electronic nu mai este necesar, totul se poate biodegrada în componente netoxice.
Biți biodegradabili
Bao, profesor de inginerie chimică și știința și ingineria materialelor, a creat anterior un electrod extensibil modelat după pielea umană. Acel material putea să se îndoaie și să se răsucească într-un mod care i-ar putea permite să se interfațeze cu pielea sau creierul, dar nu se putea degrada. Acest lucru a limitat aplicarea sa pentru dispozitive implantabile și – important pentru Bao – a contribuit la producerea de deșeuri.
Fotografie prin amabilitatea Bao Lab: Semiconductorul flexibil
poate adera la suprafețe netede sau aspre și se poate bio-
degrada în produse netoxice.
Bao a declarat că crearea unui material robust care să fie atât un bun conductor electric, cât și biodegradabil a fost o provocare, având în vedere chimia tradițională a polimerilor. „Am încercat să ne gândim cum putem obține atât o proprietate electronică excelentă, dar să avem și biodegradabilitatea”, a spus Bao.
În cele din urmă, echipa a descoperit că, prin modificarea structurii chimice a materialului flexibil, acesta se va rupe în bucăți sub acțiunea unor factori de stres ușori. „Am venit cu ideea de a face aceste molecule folosind un tip special de legătură chimică care poate păstra capacitatea electronului de a se transporta fără probleme de-a lungul moleculei”, a spus Bao. „Dar, de asemenea, această legătură chimică este sensibilă la un acid slab – chiar mai slab decât oțetul pur.” Rezultatul a fost un material care poate transporta un semnal electronic, dar care se poate descompune fără a necesita măsuri extreme.
În plus față de polimerul biodegradabil, echipa a dezvoltat un nou tip de componentă electrică și un material de substrat care se atașează la întreaga componentă electronică. Componentele electronice sunt de obicei realizate din aur. Dar pentru acest dispozitiv, cercetătorii au confecționat componente din fier. Bao a precizat că fierul este un produs foarte ecologic și nu este toxic pentru oameni.
Cercetătorii au creat substratul, care poartă circuitul electronic și polimerul, din celuloză. Celuloza este aceeași substanță care alcătuiește hârtia. Dar, spre deosebire de hârtie, echipa a modificat fibrele de celuloză astfel încât „hârtia” să fie transparentă și flexibilă, dar în același timp să se descompună ușor. Substratul subțire permite ca dispozitivul electronic să fie purtat pe piele sau chiar implantat în interiorul corpului.
De la implanturi la plante
Combinația dintre un polimer conductiv biodegradabil și substrat face ca dispozitivul electronic să fie util într-o multitudine de medii – de la dispozitive electronice purtabile până la studii de mediu la scară largă cu pulberi senzoriale.
„Ne imaginăm acești plasturi moi, foarte subțiri și adaptabili la piele, care pot măsura tensiunea arterială, valoarea glucozei, conținutul de transpirație”, a spus Bao. O persoană ar putea purta un plasture special conceput pentru o zi sau o săptămână, apoi ar putea descărca datele. Potrivit lui Bao, această utilizare pe termen scurt a electronicii de unică folosință pare să se potrivească perfect pentru un design degradabil și flexibil.
Și nu este doar pentru anchete pe piele: substratul biodegradabil, polimerii și electrozii de fier fac ca întreaga componentă să fie compatibilă cu inserția în corpul uman. Polimerul se descompune până la concentrații de produs mult mai mici decât nivelurile acceptabile publicate care se găsesc în apa potabilă. Deși s-a constatat că polimerul este biocompatibil, Bao a declarat că ar trebui să se facă mai multe studii înainte ca implanturile să devină un lucru obișnuit.
Electronicele biodegradabile au potențialul de a merge mult dincolo de colectarea de date privind bolile cardiace și glucoza. Aceste componente ar putea fi folosite în locuri unde studiile acoperă suprafețe mari în locații îndepărtate. Lei a descris un scenariu de cercetare în care componentele electronice biodegradabile sunt aruncate cu avionul deasupra unei păduri pentru a supraveghea peisajul. „Este o zonă foarte mare și este foarte greu pentru oameni să împrăștie senzorii”, a spus el. „De asemenea, dacă împrăștii senzorii, este foarte greu să îi aduni înapoi. Nu vrei să contaminezi mediul înconjurător, așa că avem nevoie de ceva care poate fi descompus.” În loc ca plasticul să murdărească podeaua pădurii, senzorii s-ar biodegrada.
Ca urmare a creșterii numărului de dispozitive electronice, biodegradabilitatea va deveni mai importantă. Lei este entuziasmată de progresele lor și dorește să continue să îmbunătățească performanța electronicii biodegradabile. „În prezent, avem computere și telefoane mobile și generăm milioane și miliarde de telefoane mobile, iar acestea sunt greu de descompus”, a spus el. „Sperăm să putem dezvolta unele materiale care pot fi descompuse, astfel încât să existe mai puține deșeuri.”
Alți autori ai studiului sunt: Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire și Jeffrey Tok de la Universitatea Stanford; Tsung-Ching Huang de la Hewlett Packard Enterprise; și Lei-Lai Shao și Kwang-Ting Cheng de la Universitatea din California, Santa Barbara.
Cercetarea a fost finanțată de Air Force Office for Scientific Research; BASF; Marie Curie Cofund; Beatriu de Pinós fellowship; și Kodak Graduate Fellowship.
Publicat inițial la Stanford news
.