Ny "forbigående elektronik" opløses i nærværelse af vand og åbner for en ny række mulige applikationer. Billede via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
For de fleste af os er en ideel elektronisk enhed holdbar og holdbar. Et tværfagligt team af forskere har dog udviklet en ny klasse af kredsløb, der tvinger os til at overveje vores koncept om, hvad elektronik kan gøre i verden.
Deres opfindelse - et ultratin, klart, siliciumbaseret kredsløb, der fungerer i en præcis periode, der spænder fra minutter til år og derefter opløses fuldstændigt i vand - kan føre til rutinemæssig implantation af lille elektronik inde i kroppen eller i miljøet uden nogen har brug for at udtrække dem efter brug. Forskerteamet, fra Tufts University, Northwestern University og University of Illinois, afslører deres fremskridt i et papir, der offentliggøres i dag i Science . De omtaler det som en første indgang til et nyt felt kaldet "forbigående elektronik."
"Denne elektronik er der, når du har brug for dem, og efter at de har tjent deres formål, forsvinder de, " sagde Yonggang Huang, der ledede den nordvestlige del af teamet, der fokuserede på teori, design og modellering. ”Dette er et helt nyt koncept.”
Kredsløbene inden i konventionel elektronik er lavet af silicium, et materiale, der naturligt opløses i vand over tid, men med hastigheder, der betyder, at et typisk kredsløb ville tage hundreder af år at forsvinde. Siliciumarkene, der udgør denne nye forbigående elektronik, er imidlertid bare et par nanometer tykke, så de kan opløses i løbet af minutter, når de kommer i kontakt med endda en lille mængde vand eller en kropsvæske. Se, hvordan kredsløbet opløses (næsten som en åndedrætsbånd), når det drysses med vand, 15 sekunder i denne video:
Indtil videre, ved at udskrive kredsløb ved hjælp af opløselige ledere (som magnesium eller magnesiumoxid) på ultrathinsiliciumpladerne, har forskerne skabt funktionelle transistorer, dioder, trådløse strømspoler, temperatur- og belastningsføler, fotodetektorer, solceller, radioscillatorer, antenner og endda enkle 64 pixel digitale kameraer, der opløses fuldstændigt.
Forskerteamet forestiller sig en række forskellige anvendelser til deres opfindelse. I øjeblikket er kirurger tilbageholdende med at implantere medicinske overvågningsudstyr (f.eks. For at kontrollere for en infektion efter operationen) på grund af vanskeligheden med at udvinde dem. Men et implantat lavet af forbigående elektronik, der udførte en diagnostisk eller overvågningsfunktion i et bestemt tidsrum, derefter opløst sikkert i kroppen, kunne blive en rutinemæssig måde for en læge at følge op på en patients fremskridt efter operationen. Andre kortvarige enheder kunne overvåge temperatur eller muskelaktivitet eller levere medicin internt.
Hos rotter demonstrerede teamet med succes et implantat, der overvåges for en bakterieinfektion på et kirurgisk snitsted og kunne udrydde det ved opvarmning om nødvendigt. Tre uger efter, at de blev implanteret, forblev kun spor af kredsløbet i rottenes hud.
Forskerne implanterede et kortvarigt kredsløbskort i en rottehud for at teste levedygtigheden ved at bruge sådanne teknologier som overvågningsudstyr efter kirurgi hos mennesker. Billede via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
Derudover kunne forbigående kredsløb bruges i miljøovervågningssituationer, såsom at bruge trådløse sensorer, der påføres efter et oliespild for at spore jordforholdene, før de opløses efter et bestemt tidsrum. Monitorer kunne også placeres på bygninger eller kørebaner for at registrere gradvis strukturel deformation over tid. Forbigående kredsløb kunne endda komme vej ind i forbrugerelektronik - en telefons indre kredsløb kan måske være designet til at opløses i nærværelse af en bestemt væske - for at bekæmpe den stigende mængde elektronisk affald, der produceres, når vi ofte opgraderer telefoner eller andre enheder.
Fordi silicium er naturligt rigeligt i miljøet, og det ledende materiale, magnesium, er biokompatibelt - og naturligt forekommer i kroppen - mener forskerne, at kredsløbene ikke vil skade vores helbred eller miljøet, når de opløses. Naturligvis gjenstår det at se, om dette er tilfældet, og yderligere test er nødvendig, før opfindelsen implementeres.
Forbigående kredsløb kunne bruges i miljøovervågningsapplikationer, hvilket fjerner behovet for oprydning bagefter. Billede via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
Hver af disse forskellige applikationer ville kræve forskellige forfaldshastigheder. ”Et medicinsk implantat, der er designet til at håndtere potentielle infektioner fra snit i kirurgiske steder, er kun nødvendigt i et par uger. Men for en forbrugerelektronisk enhed, vil du gerne have, at den skal klæbe omkring mindst et år eller to, ”sagde John Rogers, der ledede gruppen af University of Illinois, der arbejdede med eksperimentering og fabrikation.
For at kontrollere, hvor længe et kredsløb klæber rundt, dækker forskerne det med beskyttende silkefrakker i forskellige tykkelser. Jo tykkere silke, jo længere tid tager det at opløses, og først derefter begynder silicium at desintegrere. Indtil silken er væk, kan kredsløbene fungere, mens de er helt nedsænket i vand eller en fosfatbufret saltvæske, der kemisk ligner væsker i den menneskelige krop.
Forskningsgruppen forbedrer i øjeblikket deres design og udfører flere dyreforsøg samt arbejder med en halvlederproducent for at teste potentialet for industriel skala. Det faktum, at teknologien er afhængig af udskrivningskredsløb på en siliciumoverflade - som det store flertal af eksisterende elektronik - betyder, at mindre ændringer i fremstillingsprocessen kan give funktionelle kortvarige kredsløb.
”Det er et nyt koncept, så der er masser af muligheder, hvoraf mange vi sandsynligvis ikke engang har identificeret endnu, ” sagde Rogers. ”Vi er meget spændte. Disse fund åbner helt nye anvendelsesområder. ”
