Nowa „przejściowa elektronika” rozpuszcza się w obecności wody, otwierając nowy zakres możliwych zastosowań. Zdjęcie za pośrednictwem Beckman Institute, University of Illinois i Tufts University
Dla większości z nas idealne urządzenie elektroniczne jest trwałe i długotrwałe. Jednak interdyscyplinarny zespół naukowców opracował nową klasę obwodów, która zmusza nas do ponownego przemyślenia naszej koncepcji tego, co elektronika może zrobić na świecie.
Ich wynalazek - ultracienki, przejrzysty, oparty na krzemie obwód, który działa przez określony czas, od kilku minut do lat, a następnie całkowicie rozpuszcza się w wodzie - może prowadzić do rutynowej implantacji niewielkiej elektroniki wewnątrz ciała lub w środowisku bez żadnego trzeba je wyodrębnić po użyciu. Zespół badawczy z Tufts University, Northwestern University i University of Illinois ujawnia swój postęp w artykule opublikowanym dzisiaj w Science . Nazywają to początkowym wejściem w nowe pole zwane „przejściową elektroniką”.
„Te elektroniki są tam, kiedy ich potrzebujesz, a po spełnieniu ich celu znikają”, powiedział Yonggang Huang, który kierował północno-zachodnią częścią zespołu, która koncentrowała się na teorii, projektowaniu i modelowaniu. „To zupełnie nowa koncepcja”.
Obwody wewnątrz konwencjonalnej elektroniki są wykonane z krzemu, materiału, który naturalnie rozpuszcza się w wodzie z czasem, ale z szybkościami, które oznaczają, że typowy obwód zajmie setki lat. Arkusze krzemu, które składają się na nową przejściową elektronikę, mają jednak grubość zaledwie kilku nanometrów, więc mogą rozpuścić się w ciągu kilku minut, gdy wejdą w kontakt nawet z niewielką ilością wody lub płynu ustrojowego. Zobacz, jak obwód się rozpuszcza (prawie jak pasek odświeżający oddech), gdy zostanie pokropiony wodą, 15 sekund w tym filmie:
Jak dotąd, drukując obwody za pomocą rozpuszczalnych przewodników (takich jak magnez lub tlenek magnezu) na ultracienkich arkuszach krzemu, naukowcy stworzyli funkcjonalne tranzystory, diody, bezprzewodowe cewki zasilające, czujniki temperatury i odkształcenia, fotodetektory, ogniwa słoneczne, oscylatory radiowe, anteny i nawet proste 64-cyfrowe aparaty cyfrowe, które całkowicie się rozpuszczają.
Zespół badawczy wyobraża sobie szereg różnych zastosowań ich wynalazku. Obecnie chirurdzy niechętnie wszczepiają medyczne urządzenia monitorujące (powiedzmy, aby sprawdzić infekcję po operacji) z powodu trudności z ich wydobyciem. Ale implant wykonany z przejściowej elektroniki, który przez określony czas pełnił funkcję diagnostyczną lub monitorującą, a następnie bezpiecznie rozpuścił się w ciele, może stać się rutynowym sposobem dla lekarza na monitorowanie postępów pacjenta po operacji. Inne przejściowe urządzenia mogą monitorować temperaturę lub aktywność mięśni lub dostarczać leki wewnętrznie.
Na szczurach zespół z powodzeniem wykazał implant, który monitorował infekcję bakteryjną w miejscu nacięcia chirurgicznego i mógł ją wyeliminować poprzez ogrzewanie, jeśli to konieczne. Trzy tygodnie po wszczepieniu w skórze szczura pozostały tylko ślady obwodu.
Naukowcy wszczepili przejściową płytkę drukowaną w skórę szczura w celu przetestowania możliwości zastosowania takich technologii, jak urządzenia monitorujące po operacji u ludzi. Zdjęcie za pośrednictwem Beckman Institute, University of Illinois i Tufts University
Ponadto obwody przejściowe można zastosować w sytuacjach monitorowania środowiska, takich jak zastosowanie bezprzewodowych czujników, które są stosowane po wycieku oleju w celu śledzenia warunków gruntowych przed rozpuszczeniem po określonym czasie. Monitory można również umieszczać na budynkach lub jezdniach, aby wykrywać stopniowe deformacje strukturalne w czasie. Obwody przejściowe mogą nawet przedostać się do elektroniki użytkowej - wewnętrzne obwody telefonu mogą być zaprojektowane do rozpuszczania się w obecności określonej cieczy - w celu zwalczania rosnącej ilości odpadów elektronicznych, które powstają, gdy często modernizujemy telefony lub inne urządzenia.
Ponieważ krzem jest naturalnie obfity w środowisku, a materiał przewodzący, magnez, jest biokompatybilny - i naturalnie występuje w ciele - badacze uważają, że obwody nie zaszkodzą naszemu zdrowiu ani środowisku, gdy się rozpuszczą. Oczywiście, okaże się, czy tak jest, i przed wdrożeniem wynalazku konieczne są dalsze testy.
Obwody przejściowe można zastosować w aplikacjach monitorowania środowiska, eliminując potrzebę późniejszego czyszczenia. Zdjęcie za pośrednictwem Beckman Institute, University of Illinois i Tufts University
Każda z tych różnych aplikacji wymagałaby różnych szybkości rozkładu. „Implant medyczny przeznaczony do radzenia sobie z potencjalnymi infekcjami spowodowanymi nacięciami w miejscu operacji jest potrzebny tylko przez kilka tygodni. Ale jeśli chodzi o konsumenckie urządzenie elektroniczne, chciałbyś, aby trzymało się go przynajmniej przez rok lub dwa ”- powiedział John Rogers, który kierował grupą z University of Illinois, która pracowała nad eksperymentami i produkcją.
Aby kontrolować, jak długo obwód przylega, badacze pokrywają go ochronnymi jedwabnymi płaszczami o różnych grubościach. Im grubszy jedwab, tym dłużej trwa rozpuszczanie, i dopiero wtedy krzem zaczyna się rozpadać. Dopóki jedwab nie zniknie, obwody mogą funkcjonować, gdy są całkowicie zanurzone w wodzie lub w soli fizjologicznej buforowanej fosforanem, chemicznie podobnej do płynów w ludzkim ciele.
Grupa badawcza obecnie udoskonala swoje projekty i przeprowadza więcej testów na zwierzętach, a także współpracuje z producentem półprzewodników, aby przetestować potencjał produkcji na skalę przemysłową. Fakt, że technologia ta opiera się na obwodach drukujących na powierzchni krzemowej - podobnie jak znaczna większość istniejących elektroniki - oznacza, że niewielkie zmiany w procesie produkcyjnym mogą spowodować funkcjonalne obwody przejściowe.
„To nowa koncepcja, więc istnieje wiele możliwości, z których prawdopodobnie jeszcze nawet nie zidentyfikowaliśmy” - powiedział Rogers. „Jesteśmy bardzo podekscytowani. Te odkrycia otwierają zupełnie nowe obszary zastosowania. ”
