Ny "forbigående elektronikk" løses opp i nærvær av vann, og åpner for et nytt spekter av mulige bruksområder. Bilde via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
For de fleste av oss er en ideell elektronisk enhet holdbar og langvarig. Et tverrfaglig team av forskere har imidlertid utviklet en ny klasse av kretsløp som tvinger oss til å tenke nytt om konseptet vårt om hva elektronikk kan gjøre i verden.
Oppfinnelsen deres - en ultratinsk, klar, silisiumbasert krets som fungerer i en presis periode, fra minutter til år og deretter løses helt opp i vann - kan føre til rutinemessig implantasjon av liten elektronikk i kroppen eller i miljøet uten noe trenger å trekke dem ut etter bruk. Forskerteamet, fra Tufts University, Northwestern University og University of Illinois, avslører deres fremskritt i en artikkel publisert i dag i Science . De omtaler det som en første inngang til et nytt felt som heter "forbigående elektronikk."
"Denne elektronikken er der når du trenger dem, og etter at de har tjent formålet deres forsvinner de, " sa Yonggang Huang, som ledet den nordvestlige delen av teamet, som fokuserte på teori, design og modellering. "Dette er et helt nytt konsept."
Kretsene i konvensjonell elektronikk er laget av silisium, et materiale som naturlig løses opp i vann over tid, men med hastigheter som betyr at en typisk krets vil ta hundrevis av år å forsvinne. Silikonarkene som utgjør denne nye forbigående elektronikken er imidlertid bare noen få nanometer tykke, slik at de kan løse seg i løpet av minutter når de kommer i kontakt med til og med et bittelite vannvolum eller kroppsvæske. Se hvordan kretsløpet løses opp (nesten som en pustefriskende stripe) når den blir drysset vann, 15 sekunder i denne videoen:
Så langt, ved å trykke kretsløp ved hjelp av oppløselige ledere (som magnesium eller magnesiumoksyd) på ultratinsilisiumarkene, har forskerne laget funksjonelle transistorer, dioder, trådløse kraftspoler, temperatur- og tøyningsfølere, fotodetektorer, solceller, radiosvingere, antenner og til og med enkle 64 piksler digitale kameraer som oppløses fullstendig.
Forskerteamet forestiller seg en rekke forskjellige bruksområder for oppfinnelsen. For øyeblikket er kirurger tilbakeholdne med å implantere medisinske overvåkingsutstyr (si for å se etter en infeksjon etter operasjonen) på grunn av vanskeligheten med å trekke dem ut. Men et implantat laget av forbigående elektronikk som utførte en diagnostisk- eller overvåkingsfunksjon i en bestemt tidsperiode, og deretter ble oppløst trygt i kroppen, kan bli en rutinemessig måte for en lege å følge opp pasientens fremgang etter operasjonen. Andre forbigående enheter kan overvåke temperatur eller muskelaktivitet, eller levere medisin internt.
Hos rotter demonstrerte teamet vellykket et implantat som overvåket for en bakteriell infeksjon på et kirurgisk snittsted og kunne utrydde det ved oppvarming om nødvendig. Tre uker etter å ha blitt implantert, gjensto bare spor av kretsen i rottenes hud.
Forskerne implanterte et forbigående kretskort i en rottehud for å teste levedyktigheten ved å bruke slike teknologier som overvåkingsenheter etter kirurgi hos mennesker. Bilde via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
I tillegg kan forbigående kretser brukes i miljømessige overvåkingssituasjoner, for eksempel ved bruk av trådløse sensorer som blir påført etter et oljesøl for å spore grunnforholdene før de løses opp etter en bestemt tidsperiode. Skjermer kan også plasseres på bygninger eller veier for å oppdage gradvis strukturell deformasjon over tid. Forbigående kretsløp kan til og med komme seg inn i forbrukerelektronikk - en telefons indre kretsløp kan kanskje være designet for å løse opp i nærvær av en bestemt væske - for å bekjempe den økende mengden elektronisk avfall som produseres når vi ofte oppgraderer telefoner eller andre enheter.
Fordi silisium er naturlig rikelig i miljøet og ledende materiale, magnesium, er biokompatibel - og forekommer naturlig i kroppen - mener forskerne at kretsløpene ikke vil skade helsen vår eller miljøet når de løses opp. Det gjenstår selvfølgelig å se om dette er tilfelle, og ytterligere testing er nødvendig før oppfinnelsen blir implementert.
Forbigående kretser kan brukes i miljøovervåkningsapplikasjoner, og eliminere behovet for opprydding etterpå. Bilde via Beckman Institute, University of Illinois og Tufts University
Hver av disse forskjellige applikasjonene vil kreve forskjellige forfallshastigheter. "Et medisinsk implantat som er designet for å håndtere potensielle infeksjoner fra snitt på kirurgiske steder, er bare nødvendig i et par uker. Men for et elektronisk forbrukerapparat, vil du at det skal holde seg i det minste i et år eller to, sier John Rogers, som ledet gruppen University of Illinois som arbeidet med eksperimentering og fabrikasjon.
For å kontrollere hvor lenge en krets stikker rundt, dekker forskerne den med beskyttende silkekåper i forskjellige tykkelser. Jo tykkere silken er, jo lenger tid tar det å oppløses, og først da begynner silisiumet å gå i oppløsning. Inntil silken er borte, kan kretsløpene fungere mens de er helt nedsenket i vann eller en fosfatbufret saltvæske, kjemisk lik væsker i menneskekroppen.
Forskningsgruppen finpusser for tiden sin design og gjennomfører flere dyreforsøk, i tillegg til at de samarbeider med en halvlederprodusent for å teste potensialet for industriell skala. Det faktum at teknologien er avhengig av utskrift av kretser på en silisiumoverflate - som det store flertallet av elektronikk som eksisterer - betyr at mindre endringer i produksjonsprosessen kan gi funksjonelle forbigående kretser.
"Det er et nytt konsept, så det er mange muligheter, mange av dem har vi sannsynligvis ikke en gang identifisert ennå, " sa Rogers. “Vi er veldig glade. Disse funnene åpner for helt nye anvendelsesområder. ”
