Neue „transiente Elektronik“ lösen sich in Gegenwart von Wasser auf und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten. Bild über das Beckman Institute, die University of Illinois und die Tufts University
Für die meisten von uns ist ein ideales elektronisches Gerät langlebig und langlebig. Ein interdisziplinäres Forscherteam hat jedoch eine neue Klasse von Schaltkreisen entwickelt, die uns dazu zwingt, unser Konzept zu überdenken, was Elektronik in der Welt leisten kann.
Ihre Erfindung - eine ultradünne, klare Schaltung auf Siliziumbasis, die über einen genauen Zeitraum von Minuten bis Jahren funktioniert und sich dann vollständig in Wasser auflöst - könnte zur routinemäßigen Implantation winziger Elektronik in den Körper oder in die Umwelt führen, ohne dass dies erforderlich ist müssen sie nach Gebrauch extrahieren. Das Forschungsteam der Tufts University, der Northwestern University und der University of Illinois enthüllt ihren Fortschritt in einem heute in Science veröffentlichten Artikel . Sie bezeichnen es als einen ersten Einstieg in ein neues Feld namens "transiente Elektronik".
"Diese Elektronik ist da, wenn Sie sie brauchen, und nachdem sie ihren Zweck erfüllt haben, verschwinden sie", sagte Yonggang Huang, der den nordwestlichen Teil des Teams leitete und sich auf Theorie, Design und Modellierung konzentrierte. "Dies ist ein völlig neues Konzept."
Die Schaltkreise in der konventionellen Elektronik bestehen aus Silizium, einem Material, das sich im Laufe der Zeit von Natur aus in Wasser auflöst, dessen Verschwinden jedoch Hunderte von Jahren in Anspruch nehmen würde. Die Siliziumschichten, aus denen diese neue Übergangselektronik besteht, sind jedoch nur wenige Nanometer dick, sodass sie sich im Laufe von Minuten auflösen können, wenn sie auch nur mit einem kleinen Volumen Wasser oder einer Körperflüssigkeit in Kontakt kommen. Sehen Sie sich an, wie sich der Stromkreis (fast wie ein Atemerfrischungsstreifen) auflöst, wenn er 15 Sekunden lang mit Wasser besprüht wird:
Bisher haben die Forscher durch Drucken von Schaltkreisen mit löslichen Leitern (wie Magnesium oder Magnesiumoxid) auf den ultradünnen Siliziumschichten Funktionstransistoren, Dioden, drahtlose Leistungsspulen, Temperatur- und Dehnungssensoren, Fotodetektoren, Solarzellen, Funkoszillatoren, Antennen und dergleichen hergestellt sogar einfache 64-Pixel-Digitalkameras, die sich vollständig auflösen.
Das Forscherteam stellt sich eine Reihe verschiedener Anwendungen für ihre Erfindung vor. Derzeit zögern Chirurgen, medizinische Überwachungsgeräte zu implantieren (beispielsweise, um nach einer Operation nach einer Infektion Ausschau zu halten), da sich diese nur schwer extrahieren lassen. Ein Implantat aus vorübergehender Elektronik, das über einen festgelegten Zeitraum eine Diagnose- oder Überwachungsfunktion ausübte und sich dann sicher im Körper auflöste, könnte für einen Arzt zur Routine werden, um den Fortschritt eines Patienten nach der Operation zu verfolgen. Andere vorübergehende Geräte können die Temperatur oder Muskelaktivität überwachen oder Medikamente intern abgeben.
Bei Ratten konnte das Team erfolgreich ein Implantat nachweisen, das eine bakterielle Infektion an einer Operationsstelle nachweist und diese bei Bedarf durch Erhitzen ausmerzen kann. Drei Wochen nach der Implantation blieben nur Spuren des Kreislaufs in der Haut der Ratte zurück.
Die Forscher implantierten eine transiente Leiterplatte in die Haut einer Ratte, um die Lebensfähigkeit des Einsatzes von Technologien wie Überwachungsgeräten nach Operationen beim Menschen zu testen. Bild über das Beckman Institute, die University of Illinois und die Tufts University
Darüber hinaus können transiente Schaltkreise in Umgebungs- überwachungssituationen verwendet werden, z. B. unter Verwendung von drahtlosen Sensoren, die nach einem Ölunfall eingesetzt werden, um die Bodenbedingungen zu verfolgen, bevor sie sich nach einer festgelegten Zeit auflösen. Monitore könnten auch an Gebäuden oder Straßen angebracht werden, um eine allmähliche strukturelle Verformung im Laufe der Zeit festzustellen. Transiente Schaltkreise könnten sogar in die Unterhaltungselektronik gelangen - die inneren Schaltkreise eines Telefons könnten möglicherweise so ausgelegt sein, dass sie sich in Gegenwart einer bestimmten Flüssigkeit auflösen -, um der zunehmenden Menge an Elektronikschrott entgegenzuwirken, die entsteht, wenn wir häufig Telefone oder andere Geräte aufrüsten.
Da Silizium in der Umwelt natürlich reichlich vorhanden ist und das leitende Material Magnesium biokompatibel ist - und natürlich im Körper vorkommt -, glauben die Forscher, dass die Schaltkreise unsere Gesundheit oder die Umwelt nicht schädigen, wenn sie sich auflösen. Es bleibt natürlich abzuwarten, ob dies der Fall ist, und weitere Tests sind erforderlich, bevor die Erfindung implementiert wird.
Transiente Schaltkreise könnten in Umweltüberwachungsanwendungen verwendet werden, wodurch eine spätere Bereinigung überflüssig wird. Bild über das Beckman Institute, die University of Illinois und die Tufts University
Jede dieser verschiedenen Anwendungen würde unterschiedliche Zerfallsraten erfordern. „Ein medizinisches Implantat, das für den Umgang mit potenziellen Infektionen durch Schnitte an der Operationsstelle entwickelt wurde, wird nur für einige Wochen benötigt. Aber für ein Unterhaltungselektronikgerät sollte es mindestens ein oder zwei Jahre bestehen bleiben “, sagte John Rogers, der die Gruppe an der Universität von Illinois leitete, die an Experimenten und Fabrikationen arbeitete.
Um zu kontrollieren, wie lange ein Stromkreis durchhält, bedecken die Forscher ihn mit unterschiedlich dicken Seidenschutzmänteln. Je dicker die Seide ist, desto länger dauert die Auflösung, und erst dann beginnt sich das Silizium aufzulösen. Bis die Seide verschwunden ist, können die Kreisläufe funktionieren, während sie vollständig in Wasser oder eine phosphatgepufferte Salzlösung getaucht sind, die den Flüssigkeiten im menschlichen Körper chemisch ähnlich ist.
Die Forschungsgruppe verfeinert derzeit ihre Entwürfe und führt weitere Tierversuche durch. Außerdem arbeitet sie mit einem Halbleiterhersteller zusammen, um das Potenzial für die Herstellung im industriellen Maßstab zu testen. Die Tatsache, dass die Technologie auf Druckschaltungen auf einer Siliziumoberfläche beruht - wie die überwiegende Mehrheit der vorhandenen Elektronik - bedeutet, dass geringfügige Änderungen des Herstellungsprozesses zu funktionsfähigen transienten Schaltungen führen können.
"Es ist ein neues Konzept, daher gibt es viele Möglichkeiten, von denen wir viele wahrscheinlich noch nicht einmal identifiziert haben", sagte Rogers. „Wir sind sehr aufgeregt. Diese Erkenntnisse eröffnen völlig neue Anwendungsbereiche. “
