Nieuwe "voorbijgaande elektronica" lossen op in de aanwezigheid van water, waardoor een nieuw scala aan mogelijke toepassingen wordt geopend. Afbeelding via het Beckman Institute, University of Illinois en Tufts University
Voor de meesten van ons is een ideaal elektronisch apparaat duurzaam en duurzaam. Een interdisciplinair team van onderzoekers heeft echter een nieuwe klasse circuits ontwikkeld die ons dwingen om ons concept van wat elektronica in de wereld kan doen, te heroverwegen.
Hun uitvinding - een ultradun, helder, op silicium gebaseerd circuit dat gedurende een precieze periode functioneert, variërend van minuten tot jaren, en vervolgens volledig oplost in water - kan leiden tot routine-implantatie van kleine elektronica in het lichaam of in de omgeving zonder enige moeten ze na gebruik uitpakken. Het onderzoeksteam, van Tufts University, Northwestern University en de University of Illinois, onthult hun vooruitgang in een paper dat vandaag in Science is gepubliceerd . Ze noemen het een eerste toegang tot een nieuw veld genaamd 'transient electronics'.
"Deze elektronica is er wanneer je ze nodig hebt en nadat ze hun doel hebben gediend, verdwijnen ze", zegt Yonggang Huang, die het noordwestelijke deel van het team leidde, dat zich richtte op theorie, ontwerp en modellering. "Dit is een volledig nieuw concept."
De circuits in conventionele elektronica zijn gemaakt van silicium, een materiaal dat na verloop van tijd in water oplost, maar met een snelheid die betekent dat een typisch circuit honderden jaren nodig heeft om te verdwijnen. De vellen silicium waaruit deze nieuwe tijdelijke elektronica bestaat, zijn echter slechts enkele nanometers dik, zodat ze in de loop van minuten kunnen oplossen wanneer ze in contact komen met zelfs een klein volume water of een lichaamsvloeistof. Bekijk hoe het circuit oplost (bijna als een ademverfrissende strip) wanneer het wordt besprenkeld met water, 15 seconden in deze video:
Tot nu toe hebben de onderzoekers door circuits met oplosbare geleiders (zoals magnesium of magnesiumoxide) op de ultradunne siliciumplaten af te drukken, functionele transistors, diodes, draadloze voedingsspoelen, temperatuur- en reksensoren, fotodetectors, zonnecellen, radio-oscillatoren, antennes en zelfs eenvoudige digitale camera's met 64 pixels die volledig oplossen.
Het onderzoeksteam stelt zich een reeks verschillende toepassingen voor hun uitvinding voor. Momenteel zijn chirurgen terughoudend om medische bewakingsapparatuur te implanteren (bijvoorbeeld om na de operatie op een infectie te controleren) vanwege de moeilijkheid om ze te extraheren. Maar een implantaat gemaakt van voorbijgaande elektronica dat gedurende een bepaalde periode een diagnostische of bewakingsfunctie uitvoerde en vervolgens veilig in het lichaam oploste, zou een routinematige manier kunnen zijn voor een arts om de voortgang van een patiënt na een operatie op te volgen. Andere tijdelijke apparaten kunnen de temperatuur of spieractiviteit controleren, of medicijnen intern afleveren.
Bij ratten demonstreerde het team met succes een implantaat dat op een chirurgische incisieplaats op een bacteriële infectie controleerde en het indien nodig via verwarming kon uitroeien. Drie weken na implantatie bleven alleen sporen van het circuit in de huid van de rat.
De onderzoekers implanteerden een transiënte printplaat in de huid van een rat om de levensvatbaarheid te testen van het gebruik van technologieën als monitoringapparatuur na chirurgie bij mensen. Afbeelding via het Beckman Institute, University of Illinois en Tufts University
Bovendien kunnen tijdelijke circuits worden gebruikt in omgevingsbewakingssituaties, zoals het gebruik van draadloze sensoren die worden toegepast na een olievlek om de grondcondities te volgen voordat ze na een ingestelde tijdsperiode oplossen. Monitoren kunnen ook op gebouwen of wegen worden geplaatst om in de loop van de tijd geleidelijke structurele vervormingen te detecteren. Tijdelijke circuits kunnen zelfs hun weg vinden naar consumentenelektronica - het binnenste circuit van een telefoon kan misschien worden ontworpen om op te lossen in de aanwezigheid van een bepaalde vloeistof - om de toenemende hoeveelheid elektronisch afval te bestrijden dat wordt geproduceerd als we regelmatig telefoons of andere apparaten upgraden.
Omdat silicium van nature in de omgeving overvloedig aanwezig is en het geleidende materiaal, magnesium, biocompatibel is - en van nature in het lichaam voorkomt - geloven de onderzoekers dat de circuits onze gezondheid of het milieu niet schaden wanneer ze oplossen. Het valt natuurlijk nog te bezien of dit het geval is en verder testen is noodzakelijk voordat de uitvinding wordt geïmplementeerd.
Voorbijgaande circuits kunnen worden gebruikt in omgevingsbewakingstoepassingen, waardoor de noodzaak voor opruimen achteraf wordt geëlimineerd. Afbeelding via het Beckman Institute, University of Illinois en Tufts University
Elk van deze verschillende toepassingen zou verschillende snelheden van verval vereisen. “Een medisch implantaat dat is ontworpen om mogelijke infecties door operaties op de chirurgische locatie te behandelen, is slechts een paar weken nodig. Maar voor een elektronisch apparaat voor consumenten, wil je dat het minstens een jaar of twee blijft hangen, "zei John Rogers, die de groep van de Universiteit van Illinois leidde die aan experimenten en fabricage werkte.
Om te bepalen hoe lang een circuit blijft hangen, bedekken de onderzoekers het met beschermende zijden jassen van verschillende diktes. Hoe dikker de zijde, hoe langer het duurt om op te lossen, en pas dan begint het silicium te desintegreren. Totdat de zijde verdwenen is, kunnen de circuits functioneren terwijl ze volledig ondergedompeld zijn in water of een fosfaatgebufferde zoute vloeistof, chemisch vergelijkbaar met vloeistoffen in het menselijk lichaam.
De onderzoeksgroep verfijnt momenteel hun ontwerpen en voert meer dierproeven uit, en werkt samen met een fabrikant van halfgeleiders om het potentieel voor industriële productie te testen. Het feit dat de technologie afhankelijk is van printcircuits op een siliciumoppervlak - zoals de overgrote meerderheid van de bestaande elektronica - betekent dat kleine wijzigingen in het productieproces functionele tijdelijke circuits kunnen opleveren.
"Het is een nieuw concept, dus er zijn veel kansen, waarvan we er waarschijnlijk nog niet eens hebben geïdentificeerd, " zei Rogers. “We zijn erg enthousiast. Deze bevindingen openen geheel nieuwe toepassingsgebieden. ”
