Гибкие, органические и биоразлагаемые: Исследователи разрабатывают новую волну электроники

Поскольку электроника становится все более распространенной в нашей жизни — от смартфонов до носимых датчиков — так же растет постоянно растущее количество электронных отходов, которые они создают. В докладе Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде было установлено, что в 2017 году было выброшено почти 50 миллионов тонн электронных отходов, что более чем на 20 процентов превышает объем отходов в 2015 году.
Гибкие, органические и биоразлагаемые
Обеспокоенный этими отходами, инженер Стэнфорда Жэньан Бао и ее команда пересматривают электронику. «В моей группе мы пытаемся подражать функции человеческой кожи, чтобы думать о том, как разрабатывать будущие электронные устройства», — сказал Бао. Она рассказала о том, как кожа является растяжимой, самовосстанавливаемой, а также биоразлагаемой — привлекательный список характеристик для электроники. «Мы достигли первых двух [гибких и самовосстановления], поэтому биоразлагаемость была чем-то, что мы хотели решить».
Команда создала гибкое электронное устройство, которое может легко деградировать, просто добавив слабый кислотный уксус. Результаты были опубликованы 1 мая в Трудах Национальной академии наук.
«Это первый пример полупроводникового полимера, который может разлагаться», — сказал ведущий автор Ting Lei, постдоктор, работающий с Бао.
В дополнение к полимеру — по существу гибкому, проводящему пластику — команда разработала разлагаемую электронную схему и новый биоразлагаемый материал подложки для монтажа электрических компонентов. Эта подложка поддерживает электрические компоненты, изгиб и формование на грубые и гладкие поверхности. Когда электронное устройство больше не требуется, все это может разлагаться на нетоксичные компоненты.
Бао, профессор химического машиностроения и материаловедения и техники, ранее создал растяжимый электрод, смоделированный на коже человека. Этот материал мог изгибаться и скручиваться таким образом, чтобы он мог взаимодействовать с кожей или мозгом, но он не мог разрушиться. Это ограничивало его применение для имплантируемых устройств и, что важно для Бао, способствовало отходам.
Бао сказал, что создание прочного материала, который является хорошим проводником и биоразлагаемым, является проблемой, учитывая традиционную химию полимера. «Мы пытались придумать, как мы можем достичь как отличной электронной электропроводности, так и биоразлагаемости», — сказал Бао.
В конце концов, команда обнаружила, что, изменив химическую структуру гибкого материала, он разложится под легкими стрессорами. «Мы придумали идею сделать эти молекулы специальным типом химических связей, которые могут сохранить способность электрона плавно перемещаться вдоль молекулы», — сказал Бао. «Но и эта химическая связь чувствительна к слабой кислоте — даже слабее чистого уксуса». Результатом стал материал, который мог бы переносить электронный сигнал, но разрушался, не требуя крайних мер.
В дополнение к биоразлагаемому полимеру, команда разработала новый тип электрического компонента и материал подложки, который прикрепляется ко всему электронному компоненту. Электронные компоненты обычно изготавливаются из золота. Но для этого устройства исследователи создали компоненты из железа. Бао отметил, что железо является очень экологически чистым продуктом и не токсичен для людей.
Исследователи создали подложку, которая несет электронную цепь и полимер, из целлюлозы. Целлюлоза — это то же вещество, что и бумага. Но, в отличие от бумаги, команда изменила целлюлозные волокна, поэтому «бумага» прозрачна и гибка, но при этом легко ломается. Тонкопленочная подложка позволяет носить электронику на коже или даже имплантироваться внутри тела.
От имплантатов до растений
Комбинация биодеградируемого проводящего полимера и подложки делает электронное устройство полезным во множестве настроек — от переносимой электроники до крупномасштабных обследований окружающей среды с сенсорной пылью.
«Мы представляем эти мягкие пятна, которые очень тонкие и соответствуют коже, которые могут измерять кровяное давление, значение глюкозы, содержание пота», — сказал Бао. Человек может носить специально разработанный патч на день или неделю, а затем загружать данные. По словам Бао, это краткосрочное использование одноразовой электроники кажется идеально подходящим для разлагаемой, гибкой конструкции.
И это не только для обследований кожи: биоразлагаемый субстрат, полимеры и железные электроды делают весь компонент совместимым с вставкой в организм человека. Полимер разрушается до концентрации продукта намного ниже, чем опубликованные приемлемые уровни, обнаруженные в питьевой воде. Хотя обнаружено, что полимер является биосовместимым, Бао сказал, что необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем имплантаты станут обычным явлением.
Биоразлагаемая электроника может выходить далеко за рамки сбора болезней сердца и глюкозы. Эти компоненты могут использоваться в местах, где обследования охватывают большие районы в отдаленных местах. Лей описал сценарий исследования, когда биоразлагаемая электроника отбрасывается самолетом над лесом, чтобы исследовать ландшафт. «Это очень большая площадь, и людям очень сложно распространять датчики», — сказал он. «Кроме того, если вы распространяете датчики, их очень сложно собрать. Вы не хотите загрязнять окружающую среду, поэтому нам нужно что-то, что можно разложить». Вместо пластикового засорения леса датчики будут разлагаться.
По мере увеличения количества электроники биоразлагаемость станет более важной. Лэй взволнован их достижениями и хочет продолжать улучшать работу биоразлагаемой электроники. «В настоящее время у нас есть компьютеры и мобильные телефоны, и мы генерируем миллионы и миллиарды сотовых телефонов, и это трудно разложить», — сказал он. «Мы надеемся, что мы сможем разработать некоторые материалы, которые могут быть разложены, поэтому отходов будет меньше».


Еще интересно почитать: