Nová „přechodná elektronika“ se rozpustí v přítomnosti vody a otevírá se tak nová řada možných aplikací. Obrázek přes Beckmanův institut, University of Illinois a Tufts University
Pro většinu z nás je ideální elektronické zařízení trvanlivé a trvalé. Mezioborový tým vědců však vyvinul novou třídu obvodů, která nás nutí přehodnotit náš koncept toho, co může elektronika dělat na světě.
Jejich vynález - ultratenký, čirý obvod na bázi křemíku, který funguje po přesnou dobu, od minut do let, poté se zcela rozpustí ve vodě - by mohl vést k rutinní implantaci malé elektroniky do těla nebo do prostředí bez jakékoli je třeba je po použití extrahovat. Výzkumný tým z Tufts University, Northwestern University a University of Illinois odhaluje svůj pokrok v článku publikovaném dnes v Science . Nazývají to jako počáteční vstup do nového pole nazvaného „přechodná elektronika“.
"Tyto elektroniky jsou tam, když je potřebujete, a poté, co splnily svůj účel, zmizí, " řekl Yonggang Huang, který vedl severozápadní část týmu, která se zaměřila na teorii, design a modelování. "Toto je úplně nový koncept."
Obvody uvnitř konvenční elektroniky jsou vyrobeny z křemíku, materiálu, který se přirozeně rozpustí ve vodě v průběhu času, ale při rychlostech, které znamenají, že by typický obvod zmizel stovky let. Vrstvy křemíku, které tvoří tuto novou přechodnou elektroniku, jsou však tlusté jen několik nanometrů, takže se mohou během několika minut rozpustit, když přijdou do kontaktu s malým množstvím vody nebo tělesné tekutiny. Podívejte se, jak se obvod rozpouští (téměř jako proužek osvěžující dech), jakmile se do něj posype vodou, 15 sekund do tohoto videa:
Dosud výzkumníci vytvořili pomocí tiskových obvodů využívajících rozpustné vodiče (jako je hořčík nebo oxid hořečnatý) na ultratenkých křemíkových listech funkční tranzistory, diody, bezdrátové cívky, snímače teploty a napětí, fotodetektory, solární články, rádiové oscilátory, antény a dokonce i jednoduché 64 pixelové digitální fotoaparáty, které se zcela rozpustí.
Výzkumný tým si pro svůj vynález představuje celou řadu různých aplikací. V současné době se chirurgové zdráhají implantovat lékařská monitorovací zařízení (řekněme, aby zkontrolovali infekci po operaci) kvůli obtížnosti jejich extrakce. Implantát vytvořený z přechodné elektroniky, který po stanovenou dobu vykonával diagnostickou nebo monitorovací funkci a poté se bezpečně rozpustil v těle, by se pro lékaře mohl stát rutinní cestou sledovat pokrok pacienta po operaci. Jiná přechodná zařízení by mohla sledovat teplotu nebo aktivitu svalů nebo dodávat léky interně.
U potkanů tým úspěšně předvedl implantát, který sledoval bakteriální infekci v místě chirurgického řezu, a pokud je to nutné, mohl jej eradikovat zahřátím. Tři týdny po implantaci zůstaly v kůži potkana pouze stopy obvodu.
Vědci implantovali do kůže potkana přechodnou desku obvodů, aby otestovali životaschopnost používání takových technologií, jako jsou zařízení pro sledování po operaci u lidí. Obrázek přes Beckmanův institut, University of Illinois a Tufts University
Kromě toho mohou být přechodové obvody použity v situacích monitorování životního prostředí, jako je například použití bezdrátových senzorů, které jsou aplikovány po úniku oleje ke sledování stavu půdy před rozpuštěním po stanovené době. Monitory by také mohly být umístěny na budovách nebo silnicích, aby se zjistila postupná strukturální deformace v průběhu času. Přechodné obvody by se dokonce mohly dostat do spotřební elektroniky - vnitřní obvody telefonu by mohly být navrženy tak, aby se rozpustily v přítomnosti určité kapaliny - aby bojovaly proti rostoucímu množství elektronického odpadu, který vzniká, když často upgradujeme telefony nebo jiná zařízení.
Protože křemík je přirozeně hojný v prostředí a vodivý materiál, hořčík, je biokompatibilní - a přirozeně se vyskytuje v těle - vědci věří, že obvody nepoškodí naše zdraví nebo životní prostředí, když se rozpustí. Samozřejmě zbývá zjistit, zda tomu tak je a před provedením vynálezu je nutné další testování.
Přechodné obvody by mohly být použity v aplikacích monitorování prostředí, což vylučuje potřebu pozdějšího vyčištění. Obrázek přes Beckmanův institut, University of Illinois a Tufts University
Každá z těchto různých aplikací by vyžadovala různé míry rozpadu. „Lékařský implantát, který je navržen tak, aby se vypořádal s potenciálními infekcemi způsobenými řezy v místě chirurgického zákroku, je potřebný pouze po dobu několika týdnů. Ale pro zařízení spotřební elektroniky byste chtěli, aby to zůstalo alespoň rok nebo dva, “řekl John Rogers, který vedl skupinu University of Illinois, která pracovala na experimentech a výrobě.
Aby mohli kontrolovat, jak dlouho se obvod drží kolem, vědci jej zakrývají ochrannými hedvábnými plášti různých tlouštěk. Čím je hedvábí silnější, tím déle se rozpustí, a teprve poté se křemík začne rozpadat. Dokud hedvábí nezmizí, mohou obvody fungovat, zatímco jsou zcela ponořeny ve vodě nebo ve slané tekutině s fosfátovým pufrem, chemicky podobné tekutinám v lidském těle.
Výzkumná skupina v současné době zdokonaluje své návrhy a provádí více testů na zvířatech a také spolupracuje s výrobcem polovodičů na testování potenciálu pro průmyslovou výrobu. Skutečnost, že se technologie spoléhá na tiskové obvody na křemíkovém povrchu - stejně jako velká většina existující elektroniky - znamená, že drobné změny výrobního procesu by mohly přinést funkční přechodné obvody.
"Je to nový koncept, takže existuje spousta příležitostí, z nichž mnohé jsme pravděpodobně ještě neidentifikovali, " řekl Rogers. "Jsme velmi nadšeni." Tato zjištění otevírají zcela nové oblasti použití. “
