Ingeniører laver transistorer og elektroniske enheder udelukkende af tråd

Et team af ingeniører har udviklet en transistor lavet af hørtråd, gør dem i stand til at skabe elektroniske enheder udelukkende lavet af tynde tråde, der kan væves ind i stof, slidt på huden, eller endda (teoretisk) implanteret kirurgisk til diagnostisk overvågning. De fuldt fleksible elektroniske enheder kan muliggøre en bred vifte af applikationer, der passer til forskellige former og tillader fri bevægelse uden at gå på kompromis med funktionen, siger forskerne.

I en undersøgelse offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader , forfatterne beskriver konstruktion af de første trådbaserede transistorer (TBT'er), som kan formes til enkle, all-thread baserede logiske kredsløb og integrerede kredsløb. Kredsløbene erstatter den sidste tilbageværende stive komponent i mange nuværende fleksible enheder, og når det kombineres med trådbaserede sensorer, muliggøre skabelsen af ​​fuldstændig fleksible, multipleksede enheder.

Området for fleksibel elektronik ekspanderer hurtigt, med de fleste enheder, der opnår fleksibilitet ved at mønstre metaller og halvledere til bøjelige "bølgede" strukturer eller ved at bruge iboende fleksible materialer såsom ledende polymerer. Denne "bløde" elektronik muliggør applikationer til enheder, der passer til og strækker sig med det biologiske væv, hvori de er indlejret, såsom hud, hjerte eller endda hjernevæv.

Imidlertid, sammenlignet med elektronik baseret på polymerer og andre fleksible materialer, trådbaseret elektronik har overlegen fleksibilitet, materiel mangfoldighed, og evnen til at blive fremstillet uden behov for renrum, siger forskerne. Den trådbaserede elektronik kan omfatte diagnostiske enheder, der er ekstremt tynde, blød og fleksibel nok til at integreres problemfrit med det biologiske væv, som de måler.

Tufts-ingeniørerne udviklede tidligere en serie af trådbaserede temperaturer, glukose, stamme, og optiske sensorer, samt mikrofluidiske tråde, der kan trække prøver ind fra, eller dispensere medicin til, det omgivende væv. De trådbaserede transistorer udviklet i denne undersøgelse tillader skabelsen af ​​logiske kredsløb, der styrer disse komponenters adfærd og respons. Forfatterne skabte et simpelt integreret kredsløb i lille skala kaldet en multiplexer (MUX) og sluttede det til et trådbaseret sensorarray, der var i stand til at detektere natrium- og ammoniumioner - vigtige biomarkører for kardiovaskulær sundhed, lever- og nyrefunktion.

"I laboratorieforsøg, vi var i stand til at vise, hvordan vores enhed kunne overvåge ændringer i natrium- og ammoniumkoncentrationer på flere steder, " sagde Rachel Owyeung, en kandidatstuderende ved Tufts University School of Engineering og førsteforfatter til undersøgelsen. "Teoretisk set, vi kunne opskalere det integrerede kredsløb, vi lavede fra TBT'erne for at vedhæfte et stort udvalg af sensorer, der sporer mange biomarkører, på mange forskellige steder ved hjælp af én enhed."

At lave en TBT (se figur 1) involverer belægning af en hørtråd med kulstofnanorør, som skaber en halvlederoverflade, hvorigennem elektroner kan bevæge sig. Fastgjort til tråden er to tynde guldtråde - en "kilde" til elektroner og et "dræn", hvor elektronerne flyder ud (i nogle konfigurationer, elektronerne kan flyde i den anden retning). En tredje ledning, kaldet porten, er fastgjort til materiale omkring tråden, sådan at små ændringer i spænding gennem gate-tråden tillader en stor strøm at strømme gennem gevindet mellem source og drain -det grundlæggende princip for en transistor.

En kritisk nyskabelse i denne undersøgelse er brugen af ​​en elektrolyt-infunderet gel som materialet, der omgiver tråden og er forbundet med gate-ledningen. I dette tilfælde, gelen består af silica nanopartikler, der selv samles til en netværksstruktur. Elektrolytgelen (eller ionogelen) kan let afsættes på tråden ved dyppebelægning eller hurtig aftørring. I modsætning til de faststofoxider eller polymerer, der anvendes som gatemateriale i klassiske transistorer, ionogelen er elastisk under strækning eller bøjning.

"Udviklingen af ​​TBT'erne var et vigtigt skridt i at lave fuldstændig fleksibel elektronik, så vi nu kan rette vores opmærksomhed mod at forbedre design og ydeevne af disse enheder til mulige anvendelser, " sagde Sameer Sonkusale, professor i elektro- og computerteknik ved Tufts University School of Engineering og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Der er mange medicinske applikationer, hvor realtidsmåling af biomarkører kan være vigtig for behandling af sygdom og overvågning af patienters helbred. Evnen til fuldt ud at integrere en blød og bøjelig diagnostisk overvågningsenhed, som patienten næsten ikke bemærker, kunne være ret kraftfuld."