Foto: Bao Lab: En nyutvecklad flexibel, biologiskt nedbrytbar halvledare som utvecklats av Stanford-ingenjörer visas på ett mänskligt hår.
Stanford News – May 1st, 2017 – by Sarah Derouin
I takt med att elektronik blir alltmer genomträngande i våra liv – från smarta telefoner till bärbara sensorer – ökar också den ständigt ökande mängden elektronikavfall som de skapar. En rapport från FN:s miljöprogram visade att nästan 50 miljoner ton elektronikavfall slängdes 2017 – mer än 20 procent mer än avfallet 2015.
Förvirrad av detta ökande avfall tänker Stanford-ingenjören Zhenan Bao och hennes team om när det gäller elektronik. ”I min grupp har vi försökt efterlikna funktionen hos mänsklig hud för att fundera på hur vi ska utveckla framtida elektroniska enheter”, säger Bao. Hon beskrev hur hud är sträckbar, självläkande och även biologiskt nedbrytbar – en attraktiv lista av egenskaper för elektronik. ”Vi har uppnått de två första, så den biologiska nedbrytbarheten var något vi ville ta itu med.”
Teamet skapade en flexibel elektronisk anordning som lätt kan brytas ned bara genom att tillsätta en svag syra som ättika. Resultaten publicerades den 1 maj i Proceedings of the National Academy of Sciences.
”Detta är det första exemplet på en halvledande polymer som kan brytas ned”, säger huvudförfattaren Ting Lei, en postdoktoral forskare som arbetar med Bao.
Inom polymeren – i huvudsak en flexibel, ledande plast – utvecklade teamet en nedbrytbar elektronisk krets och ett nytt biologiskt nedbrytbart substratmaterial för montering av de elektriska komponenterna. Detta substrat stöder de elektriska komponenterna och böjer och formar sig efter både grova och släta ytor. När den elektroniska enheten inte längre behövs kan det hela biologiskt brytas ner till ogiftiga komponenter.
Biologiskt nedbrytbara bitar
Bao, professor i kemiteknik och materialvetenskap och materialteknik, hade tidigare skapat en sträckbar elektrod med mänsklig hud som förebild. Det materialet kunde böjas och vrida sig på ett sätt som skulle kunna göra det möjligt för det att samverka med huden eller hjärnan, men det kunde inte brytas ned. Det begränsade dess användning för implanterbara enheter och – viktigt för Bao – bidrog till avfall.
Foto med tillstånd av Bao Lab: Den flexibla halvledaren
kan fästa på släta eller grova ytor och biologiskt
nedbrytas till giftfria produkter.
Bao sade att det var en utmaning att skapa ett robust material som både är en bra elektrisk ledare och biologiskt nedbrytbart, med tanke på den traditionella polymerkemin. ”Vi har försökt fundera på hur vi kan uppnå både bra elektroniska egenskaper och biologisk nedbrytbarhet”, sade Bao.
Till slut upptäckte teamet att genom att justera den kemiska strukturen hos det flexibla materialet kunde det brytas sönder under milda påfrestningar. ”Vi kom på en idé om att göra dessa molekyler med hjälp av en speciell typ av kemisk koppling som kan bibehålla elektronernas förmåga att smidigt transportera sig längs molekylen”, säger Bao. ”Men även denna kemiska bindning är känslig för svag syra – till och med svagare än ren vinäger.” Resultatet blev ett material som kan bära en elektronisk signal men som kan brytas ner utan att kräva extrema åtgärder.
Förutom den biologiskt nedbrytbara polymeren utvecklade teamet en ny typ av elektrisk komponent och ett substratmaterial som fäster vid hela den elektroniska komponenten. Elektroniska komponenter är vanligtvis tillverkade av guld. Men för den här anordningen tillverkade forskarna komponenter av järn. Bao noterade att järn är en mycket miljövänlig produkt och är giftfritt för människor.
Forskarna skapade substratet, som bär den elektroniska kretsen och polymeren, av cellulosa. Cellulosa är samma ämne som utgör papper. Men till skillnad från papper ändrade teamet cellulosafibrerna så att ”pappret” är genomskinligt och flexibelt, samtidigt som det lätt kan brytas ner. Det tunna filmsubstratet gör att elektroniken kan bäras på huden eller till och med implanteras inuti kroppen.
Från implantat till växter
Kombinationen av en biologiskt nedbrytbar ledande polymer och ett substrat gör den elektroniska enheten användbar i en uppsjö av miljöer – från elektronik som kan bäras på huden till storskaliga miljöundersökningar med sensordamm.
”Vi föreställer oss de här mjuka plåstren som är mycket tunna och följsamma på huden och som kan mäta blodtryck, glukosvärde och svettinnehåll”, sa Bao. En person skulle kunna bära ett särskilt utformat plåster i en dag eller vecka och sedan ladda ner data. Enligt Bao verkar denna kortsiktiga användning av engångselektronik passa perfekt för en nedbrytbar, flexibel konstruktion.
Och det är inte bara för hudundersökningar: det biologiskt nedbrytbara substratet, polymererna och järnelektroderna gör att hela komponenten är förenlig med införande i människokroppen. Polymeren bryts ner till produktkoncentrationer som är mycket lägre än de publicerade acceptabla nivåer som finns i dricksvatten. Även om polymeren befanns vara biokompatibel sade Bao att fler studier måste göras innan implantat blir vanliga.
Biologiskt nedbrytbar elektronik har potential att gå långt utöver att samla in data om hjärtsjukdomar och glukos. Dessa komponenter skulle kunna användas på platser där undersökningar täcker stora områden på avlägsna platser. Lei beskrev ett forskningsscenario där biologiskt nedbrytbar elektronik släpps med flygplan över en skog för att kartlägga landskapet. ”Det är ett mycket stort område och mycket svårt för människor att sprida sensorerna”, sade han. ”Om man sprider sensorerna är det dessutom mycket svårt att samla in dem igen. Man vill inte kontaminera miljön, så vi behöver något som kan brytas ned.” Istället för att plast ska skräpa ner på skogsgolvet skulle sensorerna biologiskt brytas ner.
I takt med att antalet elektronikprodukter ökar kommer den biologiska nedbrytbarheten att bli allt viktigare. Lei är entusiastisk över deras framsteg och vill fortsätta att förbättra den biologiskt nedbrytbara elektronikens prestanda. ”Vi har för närvarande datorer och mobiltelefoner och vi genererar miljontals och miljarder mobiltelefoner, och det är svårt att bryta ned dem”, säger han. ”Vi hoppas att vi kan utveckla material som kan brytas ned så att det blir mindre avfall.”
Andra författare till studien är Ming Guan, Jia Liu, Hung-Cheng Lin, Raphael Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire och Jeffrey Tok från Stanford University, Tsung-Ching Huang från Hewlett Packard Enterprise samt Lei-Lai Shao och Kwang-Ting Cheng från University of California, Santa Barbara.
Forskningen finansierades av Air Force Office for Scientific Research, BASF, Marie Curie Cofund, Beatriu de Pinós-stipendiet och Kodak Graduate Fellowship.
Ursprungligen publicerad på Stanford news