La nuova "elettronica transitoria" si dissolve in presenza di acqua, aprendo una nuova gamma di possibili applicazioni. Immagine tramite Beckman Institute, University of Illinois e Tufts University
Per la maggior parte di noi, un dispositivo elettronico ideale è resistente e duraturo. Un team interdisciplinare di ricercatori, tuttavia, ha sviluppato una nuova classe di circuiti che ci costringe a ripensare il nostro concetto di cosa l'elettronica può fare nel mondo.
La loro invenzione - un circuito ultrasottile, chiaro, a base di silicio che funziona per un preciso periodo di tempo, che varia da minuti a anni, per poi dissolversi completamente in acqua - potrebbe portare all'impianto di routine di minuscoli componenti elettronici all'interno del corpo o nell'ambiente senza alcun è necessario estrarli dopo l'uso. Il team di ricerca, della Tufts University, della Northwestern University e della University of Illinois, rivela i loro progressi in un articolo pubblicato oggi su Science . Si riferiscono ad esso come una prima entrata in un nuovo campo chiamato "elettronica transitoria".
"Questi componenti elettronici sono presenti quando ne hai bisogno e dopo che hanno raggiunto il loro scopo scompaiono", ha dichiarato Yonggang Huang, che ha guidato la parte nord-occidentale del team, concentrandosi su teoria, design e modellazione. "Questo è un concetto completamente nuovo."
I circuiti all'interno dell'elettronica convenzionale sono realizzati in silicio, un materiale che si dissolve naturalmente in acqua nel tempo, ma a velocità che indicano che un circuito tipico richiederebbe centinaia di anni per scomparire. I fogli di silicio che compongono questa nuova elettronica transitoria, tuttavia, hanno uno spessore di pochi nanometri, quindi possono dissolversi nel corso dei minuti quando entrano in contatto anche con un piccolo volume di acqua o un fluido corporeo. Guarda come si dissolve il circuito (quasi come una striscia rinfrescante del respiro) quando viene cosparso di acqua, 15 secondi in questo video:
Finora, stampando circuiti utilizzando conduttori solubili (come magnesio o ossido di magnesio) sui fogli di silicio ultrasottile, i ricercatori hanno creato transistor funzionali, diodi, bobine di potenza wireless, sensori di temperatura e deformazione, fotorilevatori, celle solari, oscillatori radio, antenne e anche semplici fotocamere digitali a 64 pixel che si dissolvono completamente.
Il team di ricerca immagina una gamma di applicazioni diverse per la loro invenzione. Attualmente, i chirurghi sono riluttanti a impiantare dispositivi di monitoraggio medico (diciamo, per verificare la presenza di un'infezione post-chirurgia) a causa della difficoltà di estrarli. Ma un impianto fatto di elettronica transitoria che eseguiva una funzione diagnostica o di monitoraggio per un determinato periodo di tempo, poi si dissolveva in modo sicuro nel corpo, potrebbe diventare un modo di routine per un medico di seguire i progressi di un paziente dopo l'intervento chirurgico. Altri dispositivi transitori potrebbero monitorare la temperatura o l'attività muscolare o fornire medicine internamente.
Nei ratti, il team ha dimostrato con successo un impianto che monitorava un'infezione batterica in un sito di incisione chirurgica e, se necessario, poteva sradicarlo mediante riscaldamento. Tre settimane dopo essere stato impiantato, nella pelle del ratto rimanevano solo tracce del circuito.
I ricercatori hanno impiantato un circuito transitorio nella pelle di un ratto per testare la fattibilità dell'utilizzo di tali tecnologie come dispositivi di monitoraggio post-chirurgia negli esseri umani. Immagine tramite Beckman Institute, University of Illinois e Tufts University
Inoltre, i circuiti transitori potrebbero essere utilizzati in situazioni di monitoraggio ambientale, come l'uso di sensori wireless che vengono applicati dopo una fuoriuscita di petrolio per tracciare le condizioni del terreno prima di dissolversi dopo un determinato periodo di tempo. I monitor potrebbero anche essere posizionati su edifici o strade per rilevare una graduale deformazione strutturale nel tempo. I circuiti transitori potrebbero persino farsi strada nell'elettronica di consumo - i circuiti interni di un telefono potrebbero forse essere progettati per dissolversi in presenza di un particolare liquido - per combattere la crescente quantità di rifiuti elettronici prodotti mentre aggiorniamo frequentemente telefoni o altri dispositivi.
Poiché il silicio è naturalmente abbondante nell'ambiente e il materiale conduttore, il magnesio, è biocompatibile - e si verifica naturalmente nel corpo - i ricercatori ritengono che i circuiti non danneggeranno la nostra salute o l'ambiente quando si dissolveranno. Naturalmente, resta da vedere se questo è il caso, e ulteriori test sono necessari prima che l'invenzione venga implementata.
I circuiti transitori potrebbero essere utilizzati in applicazioni di monitoraggio ambientale, eliminando successivamente la necessità di pulizia. Immagine tramite Beckman Institute, University of Illinois e Tufts University
Ognuna di queste varie applicazioni richiederebbe tassi di decadimento diversi. “Un impianto medico progettato per far fronte a potenziali infezioni da incisioni del sito chirurgico è necessario solo per un paio di settimane. Ma per un dispositivo elettronico di consumo, vorresti che rimanesse in giro almeno per un anno o due ", ha detto John Rogers, che ha guidato il gruppo dell'Università dell'Illinois che ha lavorato alla sperimentazione e alla fabbricazione.
Per controllare la durata di un circuito, i ricercatori lo coprono con cappotti di seta protettivi di diversi spessori. Più spessa è la seta, più tempo ci vuole per dissolversi e solo allora il silicio inizia a disintegrarsi. Fino a quando la seta non è scomparsa, i circuiti possono funzionare completamente immersi in acqua o in un liquido salino tamponato con fosfato, chimicamente simile ai fluidi del corpo umano.
Il gruppo di ricerca sta attualmente perfezionando i propri progetti e sta conducendo ulteriori test sugli animali, oltre a lavorare con un produttore di semiconduttori per testare il potenziale per la produzione su scala industriale. Il fatto che la tecnologia si basi su circuiti di stampa su una superficie di silicio - come la stragrande maggioranza dell'elettronica esistente - significa che piccole modifiche al processo di produzione potrebbero produrre circuiti transitori funzionali.
"È un nuovo concetto, quindi ci sono molte opportunità, molte delle quali probabilmente non abbiamo ancora identificato", ha detto Rogers. “Siamo molto emozionati. Questi risultati aprono aree di applicazione completamente nuove. "
