Учёные из Университета Тафтса, Северо-Западного и Иллинойсского университетов при поддержке Управления перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) создали небольшие, полностью биосовместимые электронные устройства, способные без остатка растворяться в окружающей их среде после окончания заранее определённого периода функционирования.

Транзиентная электроника представляет собой новую технологию создания электронных приборов, наделённых необычной способностью растворяться без остатка после выполнения работы.

Спектр возможных применений таких устройств включает медицинские имплантаты, деградируемые датчики контроля качества окружающей среды, потребительскую электронику (растворил или закопал в саду старый телефон и купил новый) и т. п.

Рис. 1. Транзиентное электронное устройство растворяется в воде. (Здесь и ниже фото Beckman Institute / University of Illinois / Tufts University).

Исследователи работали с традиционными материалами, использующимися при производстве интегральных схем, то есть с кремнием и магнием (вместо серебра), только в ультратонкой форме, инкапсулированной в шёлковый протеин.

Перечислим: магниевые электроды и межсоединения, оксид магния в качестве затвора и промежуточные слои диэлектриков с очень тонкими кремниевыми плёнками (наномембранами) в качестве стандартных полупроводников. Кремний растворяется в биологических жидкостях, но очень медленно (процесс может занять и сотни, и тысячи лет в зависимости от размера полупроводникового устройства).

Преимущество кремниевых наномембран как раз в том, что они достаточно тонки для того, чтобы полностью растворяться в нескольких каплях воды в течение нескольких дней или недель в зависимости от их толщины. С другой стороны, их толщины хватает для создания высококачественных полупроводниковых устройств, таких как транзисторы, диоды и т. п.

Сразу отметим, что количество кремния и магния, используемое для изготовления вживляемых транзиентных устройств, значительно меньше того, что содержится в таблетках поливитаминов, и даже меньше нормального физиологического уровня.

Созданные транзиентные электронные устройства инкапсулированы в слой шёлка и не требуют последующего хирургического извлечения при их применении в качестве медимплантатов. Интересно, что потребительская электроника, полученная по этой технологии, может быть успешно использована в качестве своеобразного удобрения для растений, а не просто выброшена на свалку после очередного апгрейда. При этом философия транзиентной электроники представляет собой диаметральную противоположность философии традиционной электроники, которая разрабатывается с учётом требования как можно более долгой физической и электронной стабильности.

Транзиентная электроника обладает сравнимыми рабочими характеристиками, но при этом способна полностью растворяться в окружающей среде после определённого срока — от нескольких минут до нескольких лет.

Все подробности исследования вы найдёте в журнале Science.

Замена более привычного серебра на реакционно-способный магний продиктована тем же соображением, что и использование кремниевых наномембран вместо толстых пластин, — растворимостью. Химическая активность магния не приветствуется в традиционной электронике, зато как нельзя лучше подошла для нужд электроники транзиентной: магний растворяется быстро, с образованием полезных (в разумных количествах) солей.

Растворимость устройства контролируется также структурой шёлкового протеина, играющего роль подложки и инкапсулирующего материала. Шёлк — широко используемый в медицине биологически безвредный материал, легко разлагающийся в биосредах.

Исследователи из Университета Тафтса нашли способ подстройки его свойств, что позволяет менять скорость его биодеградации в очень широких пределах.

Рис. 2. Транзиентное устройство имплантируется под кожу лабораторной крысы.

В качестве пробной демонстрации было показано термическое устройство для мониторинга и предотвращения послеоперационных заражений, которое испытали на лабораторных крысах (тот же принцип предотвращения инфекций был использован при разработке «умных» швов). Кроме того, по той же технологии была создана 64-пиксельная цифровая камера.