La nouvelle «électronique transitoire» se dissout en présence d'eau, ouvrant une nouvelle gamme d'applications possibles. Image via le Beckman Institute, l'Université de l'Illinois et l'Université Tufts
Pour la plupart d'entre nous, un appareil électronique idéal est durable et durable. Une équipe interdisciplinaire de chercheurs a cependant développé une nouvelle classe de circuits qui nous oblige à repenser notre concept de ce que l'électronique peut faire dans le monde.
Leur invention - un circuit ultra-mince, transparent, à base de silicium, fonctionnant pendant une période précise, allant de quelques minutes à plusieurs années, puis se dissolvant complètement dans l’eau - pourrait conduire à l’implantation systématique de minuscules composants électroniques dans le corps ou dans l’environnement besoin de les extraire après utilisation. L’équipe de recherche de l’Université Tufts, de la Northwestern University et de l’Illinois a révélé son avancée dans un article publié aujourd’hui dans Science . Ils se réfèrent à cela comme une entrée initiale dans un nouveau champ appelé "électronique transitoire".
«Ces composants électroniques sont là quand vous en avez besoin et, une fois qu'ils ont atteint leur objectif, ils disparaissent», a déclaré Yonggang Huang, qui a dirigé la partie nord-ouest de l'équipe, qui était axée sur la théorie, la conception et la modélisation. "C'est un concept complètement nouveau."
Les circuits à l'intérieur de l'électronique conventionnelle sont en silicium, un matériau qui se dissout naturellement dans l'eau au fil du temps, mais à des vitesses telles qu'un circuit typique prendrait des centaines d'années à disparaître. Cependant, les couches de silicium qui composent cette nouvelle électronique transitoire n’ont que quelques nanomètres d’épaisseur et peuvent donc se dissoudre en quelques minutes lorsqu’elles entrent en contact avec un volume d’eau ou un fluide corporel infime. Regardez comment le circuit se dissout (presque comme un ruban rafraîchissant l'haleine) lorsqu'il est aspergé d'eau, 15 secondes après le début de la vidéo:
Jusqu'à présent, en imprimant des circuits utilisant des conducteurs solubles (tels que le magnésium ou l'oxyde de magnésium) sur des feuilles de silicium ultra-minces, les chercheurs ont créé des transistors même les simples appareils photo numériques de 64 pixels qui se dissolvent complètement.
L'équipe de recherche imagine différentes applications pour leur invention. Actuellement, les chirurgiens hésitent à implanter des dispositifs de surveillance médicale (par exemple, pour détecter une infection après une intervention chirurgicale) en raison de la difficulté à les extraire. Cependant, un implant fabriqué à partir de composants électroniques transitoires ayant une fonction de diagnostic ou de surveillance pendant une période donnée, puis dissous en toute sécurité dans le corps, pourrait devenir un moyen habituel pour un médecin de suivre les progrès du patient après la chirurgie. D'autres dispositifs transitoires pourraient surveiller la température ou l'activité musculaire, ou administrer le médicament en interne.
Chez le rat, l’équipe a réussi à mettre au point un implant surveillant l’infection bactérienne au site de l’incision chirurgicale et pouvant l’éradiquer par chauffage en cas de besoin. Trois semaines après son implantation, il ne restait que des traces du circuit dans la peau du rat.
Les chercheurs ont implanté une carte de circuit imprimé transitoire dans la peau d'un rat afin de vérifier la viabilité de l'utilisation de technologies telles que les dispositifs de surveillance post-opératoire chez l'homme. Image via le Beckman Institute, l'Université de l'Illinois et l'Université Tufts
De plus, des circuits transitoires pourraient être utilisés dans des situations de surveillance de l'environnement, tels que l'utilisation de capteurs sans fil qui sont appliqués après un déversement d'hydrocarbures pour suivre les conditions du sol avant de se dissoudre après une période de temps définie. Des écrans pourraient également être placés sur des bâtiments ou des routes pour détecter une déformation structurelle progressive au fil du temps. Les circuits transitoires pourraient même faire leur chemin dans les appareils électroniques grand public (les circuits internes d'un téléphone pourraient peut-être être conçus pour se dissoudre en présence d'un liquide particulier) afin de lutter contre la quantité croissante de déchets électroniques produits lors de la mise à niveau fréquente de téléphones ou d'autres appareils.
Étant donné que le silicium est naturellement abondant dans l'environnement et que le magnésium est un matériau conducteur biocompatible (et naturellement présent dans l'organisme), les chercheurs pensent que les circuits ne nuisent ni à la santé ni à l'environnement lorsqu'ils se dissolvent. Bien entendu, il reste à voir si tel est le cas et des tests supplémentaires sont nécessaires avant la mise en œuvre de l'invention.
Les circuits transitoires pourraient être utilisés dans des applications de surveillance de l'environnement, éliminant ainsi le besoin de nettoyage par la suite. Image via le Beckman Institute, l'Université de l'Illinois et l'Université Tufts
Chacune de ces diverses applications nécessiterait des taux de décomposition différents. «Un implant médical conçu pour traiter les infections potentielles dues à des incisions du site chirurgical n’est nécessaire que pendant quelques semaines. Mais pour un appareil électronique grand public, vous voudriez qu'il reste au moins un an ou deux », a déclaré John Rogers, directeur du groupe de l'Université de l'Illinois qui a travaillé sur l'expérimentation et la fabrication.
Pour contrôler la longueur du circuit, les chercheurs le recouvrent de couches de soie de protection de différentes épaisseurs. Plus la soie est épaisse, plus il faut de temps pour se dissoudre, et c'est seulement à ce moment-là que le silicium commence à se désintégrer. Tant que la soie n'aura pas disparu, les circuits peuvent fonctionner en étant complètement immergés dans de l'eau ou dans un liquide salin tamponné au phosphate, chimiquement similaire aux fluides du corps humain.
Le groupe de recherche peaufine actuellement ses conceptions et effectue plus d'essais sur les animaux. Il collabore également avec un fabricant de semi-conducteurs afin de tester le potentiel de fabrication à l'échelle industrielle. Le fait que la technologie s'appuie sur des circuits d'impression sur une surface de silicium, à l'instar de la grande majorité des composants électroniques existants, signifie que des modifications mineures du processus de fabrication pourraient générer des circuits transitoires fonctionnels.
"C'est un nouveau concept, il y a donc beaucoup d'opportunités, dont beaucoup n'ont pas encore été identifiées", a déclaré Rogers. «Nous sommes très excités. Ces découvertes ouvrent des domaines d'application entièrement nouveaux. "
