Een team van ingenieurs heeft een transistor ontwikkeld van linnen draad, waardoor ze elektronische apparaten kunnen maken die volledig zijn gemaakt van dunne draden die in stof kunnen worden geweven, op de huid gedragen, of zelfs (theoretisch) chirurgisch geïmplanteerd voor diagnostische monitoring. De volledig flexibele elektronische apparaten kunnen een breed scala aan toepassingen mogelijk maken die voldoen aan verschillende vormen en vrije beweging mogelijk maken zonder afbreuk te doen aan de functie, zeggen de onderzoekers.

In een studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces , de auteurs beschrijven de engineering van de eerste op threads gebaseerde transistors (TBT's) die kunnen worden gevormd tot eenvoudige, all-thread gebaseerde logische schakelingen en geïntegreerde schakelingen. De circuits vervangen de laatst overgebleven stijve component van veel huidige flexibele apparaten, en in combinatie met op schroefdraad gebaseerde sensoren, maken het mogelijk om volledig flexibele, gemultiplexte apparaten.

Het gebied van flexibele elektronica breidt zich snel uit, waarbij de meeste apparaten flexibiliteit bereiken door metalen en halfgeleiders in buigbare "golvende" structuren te modelleren of intrinsiek flexibele materialen te gebruiken, zoals geleidende polymeren. Deze "zachte" elektronica maakt toepassingen mogelijk voor apparaten die zich aanpassen aan en uitrekken met het biologische weefsel waarin ze zijn ingebed, zoals huid, hart of zelfs hersenweefsel.

Echter, vergeleken met elektronica op basis van polymeren en andere flexibele materialen, op draad gebaseerde elektronica heeft een superieure flexibiliteit, materiële diversiteit, en de mogelijkheid om te worden vervaardigd zonder de noodzaak van cleanrooms, zeggen de onderzoekers. De op schroefdraad gebaseerde elektronica kan diagnostische apparaten bevatten die extreem dun zijn, zacht en flexibel genoeg om naadloos te integreren met de biologische weefsels die ze meten.

De ingenieurs van Tufts ontwikkelden eerder een reeks op draad gebaseerde temperatuur, glucose, deformatie, en optische sensoren, evenals microfluïdische draden die monsters kunnen opnemen van, of medicijnen verstrekken aan, het omringende weefsel. De thread-gebaseerde transistors die in dit onderzoek zijn ontwikkeld, maken het mogelijk logische circuits te creëren die het gedrag en de respons van die componenten regelen. De auteurs creëerden een eenvoudige kleinschalige geïntegreerde schakeling, een multiplexer (MUX) genaamd en verbonden deze met een op threads gebaseerde sensorarray die natrium- en ammoniumionen kan detecteren - belangrijke biomarkers voor cardiovasculaire gezondheid, lever- en nierfunctie.

"Bij laboratoriumexperimenten we konden laten zien hoe ons apparaat veranderingen in natrium- en ammoniumconcentraties op meerdere locaties kon volgen, " zei Rachel Owyeung, een afgestudeerde student aan de Tufts University School of Engineering en eerste auteur van de studie. "Theoretisch, we kunnen het geïntegreerde circuit dat we van de TBT's hebben gemaakt, opschalen om een ​​groot aantal sensoren aan te sluiten die veel biomarkers volgen, op veel verschillende locaties met één apparaat."

Het maken van een TBT (zie figuur 1) omvat het coaten van een linnen draad met koolstofnanobuisjes, die een halfgeleideroppervlak creëren waardoor elektronen kunnen reizen. Aan de draad zijn twee dunne gouden draden bevestigd - een "bron" van elektronen en een "afvoer" waar de elektronen naar buiten stromen (in sommige configuraties, de elektronen in de andere richting kunnen stromen). Een derde draad, riep de poort, is bevestigd aan materiaal rond de draad, zodanig dat kleine spanningsveranderingen door de poortdraad een grote stroom door de draad tussen de source en drain mogelijk maken - het basisprincipe van een transistor.

Een cruciale innovatie in deze studie is het gebruik van een met elektrolyt doordrenkte gel als het materiaal rond de draad en verbonden met de poortdraad. In dit geval, de gel bestaat uit silica-nanodeeltjes die zichzelf assembleren tot een netwerkstructuur. De elektrolytgel (of ionogel) kan gemakkelijk op de draad worden aangebracht door middel van een dompelcoating of snel uitstrijken. In tegenstelling tot de vastestofoxiden of polymeren die als poortmateriaal in klassieke transistors worden gebruikt, de ionogel is veerkrachtig bij strekken of buigen.

"De ontwikkeling van de TBT's was een belangrijke stap in het maken van volledig flexibele elektronica, zodat we nu onze aandacht kunnen richten op het verbeteren van het ontwerp en de prestaties van deze apparaten voor mogelijke toepassingen, " zei Sameer Sonkusale, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Tufts University School of Engineering en corresponderende auteur van de studie. "Er zijn veel medische toepassingen waarin realtime meting van biomarkers belangrijk kan zijn voor de behandeling van ziekten en het monitoren van de gezondheid van patiënten. De mogelijkheid om een ​​zacht en buigzaam diagnostisch monitoringapparaat volledig te integreren dat de patiënt nauwelijks merkt, kan behoorlijk krachtig zijn."