Обеспокоенные этим растущим мусором, инженер из Стэнфорда Женан Бао и ее команда переосмысливают электронику. «В моей группе мы пытались имитировать функцию человеческой кожи, чтобы думать о том, как разработать будущие электронные устройства», — сказал Бао. Она описала, как кожа поддается растяжению, самовосстановлению и биоразложению — привлекательный список характеристик для электроники. «Мы достигли первых двух [гибкость и самовосстановление], поэтому мы хотели решить проблему биоразлагаемости."
Команда создала гибкое электронное устройство, которое может легко разрушиться, просто добавив слабую кислоту, например уксус.
Результаты опубликованы 1 мая в Трудах Национальной академии наук.
«Это первый пример полупроводящего полимера, который может разлагаться», — сказал ведущий автор Тинг Лэй, научный сотрудник, работающий с Бао.
В дополнение к полимеру — по сути, гибкому проводящему пластику — команда разработала разлагаемую электронную схему и новый биоразлагаемый материал подложки для монтажа электрических компонентов. Эта подложка поддерживает электрические компоненты, изгибаясь и формовавшись как с шероховатой, так и с гладкой поверхностью.
Когда электронное устройство больше не нужно, все это может разложиться на нетоксичные компоненты.
Биоразлагаемые биты
Бао, профессор химической инженерии, материаловедения и инженерии, ранее создал растягивающийся электрод по модели кожи человека. Этот материал мог изгибаться и скручиваться таким образом, чтобы он мог взаимодействовать с кожей или мозгом, но он не мог разрушиться.
Это ограничивало его применение для имплантируемых устройств и, что важно для Бао, способствовало образованию отходов.
Бао сказал, что создание прочного материала, который одновременно является хорошим проводником электричества и биоразлагаемым, было сложной задачей, учитывая традиционный химический состав полимеров. «Мы пытались придумать, как достичь не только отличных электронных свойств, но и биоразлагаемости», — сказал Бао.
В конце концов, команда обнаружила, что, изменив химическую структуру гибкого материала, он развалится под действием легких стрессовых факторов. «Мы пришли к идее создания этих молекул с использованием особого типа химической связи, которая может сохранять способность электрона плавно перемещаться по молекуле», — сказал Бао. "Но также эта химическая связь чувствительна к слабой кислоте — даже слабее, чем чистый уксус."В результате получился материал, который мог передавать электронный сигнал, но ломался, не требуя крайних мер.
В дополнение к биоразлагаемому полимеру команда разработала новый тип электрического компонента и материал подложки, который прикрепляется ко всему электронному компоненту.
Электронные компоненты обычно изготавливаются из золота. Но для этого устройства исследователи создали компоненты из железа. Бао отметил, что железо является очень экологически чистым продуктом и нетоксично для человека.
Исследователи создали подложку, на которой размещены электронная схема и полимер, из целлюлозы.
Целлюлоза — это то же вещество, из которого состоит бумага. Но в отличие от бумаги, команда изменила волокна целлюлозы, чтобы «бумага» стала прозрачной и гибкой, но при этом легко ломалась. Тонкопленочная подложка позволяет носить электронику на коже или даже имплантировать внутрь тела.
От имплантатов к растениям
Комбинация биоразлагаемого проводящего полимера и подложки делает электронное устройство полезным в самых разных условиях — от носимой электроники до крупномасштабных исследований окружающей среды с использованием сенсорной пыли.
«Мы представляем себе эти мягкие пятна, которые очень тонкие и приспосабливаются к коже, которые могут измерять кровяное давление, уровень глюкозы, содержание пота», — сказал Бао.
Человек может носить специально разработанный патч в течение дня или недели, а затем загружать данные. По словам Бао, такое краткосрочное использование одноразовой электроники идеально подходит для разлагаемой гибкой конструкции.
И это не только для обследований кожи: биоразлагаемый субстрат, полимеры и железные электроды делают весь компонент совместимым с введением в тело человека. Полимер распадается до концентраций продукта, намного более низких, чем опубликованные допустимые уровни, обнаруженные в питьевой воде.
Хотя было обнаружено, что полимер биосовместим, Бао сказал, что необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем имплантаты станут регулярным явлением.
Биоразлагаемая электроника может выйти далеко за рамки сбора данных о сердечно-сосудистых заболеваниях и уровне глюкозы. Эти компоненты могут использоваться в местах, где обследования охватывают большие площади в удаленных местах. Лей описал сценарий исследования, в котором биоразлагаемая электроника сбрасывается с самолета над лесом, чтобы исследовать ландшафт. «Это очень большая территория, и людям очень трудно разложить датчики», — сказал он. "Кроме того, если разложить датчики, их очень сложно собрать обратно.
Вы не хотите загрязнять окружающую среду, поэтому нам нужно что-то, что можно разложить."Вместо того, чтобы мусорить пластиком на лесной подстилке, датчики будут разлагаться биологически.
По мере увеличения количества электроники биоразлагаемость станет более важной. Лей воодушевлен их достижениями и хочет продолжать улучшать характеристики биоразлагаемой электроники. «В настоящее время у нас есть компьютеры и сотовые телефоны, и мы производим миллионы и миллиарды сотовых телефонов, и их трудно разложить», — сказал он. «Мы надеемся, что сможем разработать некоторые материалы, которые можно разложить, чтобы уменьшить количество отходов."