Технології
Технології

Розумний годинник попрацював місяць та розчинився у воді за 40 годин

Китайські інженери розробили розумний годинник, здатний підключитися до телефону по Bluetooth, відображати повідомлення з емодзі та розчинятися у воді менш ніж за дві доби. Все, що залишилося, — OLED-екран і мікроконтролер, а сам годинник не відрізняється від комерційних аналогів та має кращі провідні характеристики, аніж попередні прототипи такої перехідної електроніки. Як вчені розчиняли годинник, вони розповіли у ACS Applied Materials & Interfaces, та планують використати технологію для уникнення і без того зростаючої кількості електронних відходів.

Jiameng Li et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021

Jiameng Li et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021

Навіщо розчиняти годинник?

Окрім того, що останні досягнення в галузі електроніки за десятиліття призвели до вибухового зростання їхнього використання, це також призвело і до утворення більш як 53,6 мільйона тонн електронних відходів на рік. Електронні пристрої важко переробляти, а також вони небезпечні для навколишнього середовища і здоров'я людини: принаймні 83 відсотки техніки утилізується з утворенням надзвичайно шкідливих матеріалів, таких як поліхлоровані дифеніли, полібромовані дифеніли, полівінілхлорид, свинець, кадмій і ртуть. Більшість електронних продуктів були перероблені з використанням грубих і спрощених підходів як-то ручний демонтаж, відкрите спалювання і кислотне вилуговування. Ці методи можуть призвести до серйозної небезпеки для здоров'я людини і навколишнього середовища, тож точний контроль життєвого циклу матеріалів став критично важливим.

Так з'явилася концепція перехідної електроніки (transient electronic devices), що дає змогу створити пристрої із заданим життєвим циклом, де або весь він, або його частина, здатні фізично розчинитися або деградувати після закінчення строку використання. Такий підхід створює переконливі можливості для біорозкладаної тимчасової імплантованої електроніки, що не вимагає видалення, а також для більш екологічних рішень та, наприклад, обладнання безпеки зі своєчасним руйнуванням системи. Однак, не зважаючи на розвиток різних підходів до виготовлення перехідної електроніки, електричні і механічні властивості перехідних схем досі поступаються своїм неперехідним аналогам. Наприклад, раніше та ж група дослідників розробила подібний композитний матеріал, що складається з наночастинок цинку, здатних розчинятися у воді. Але отримана схема була недостатньо електропровідною, щоб підтримувати роботу побутової електроніки.

Як змусити таку електроніку працювати?

У новому дослідженні вчені модифікували свій нанокомпозит на основі цинку, додавши до нього срібні нанодроти, що підвищило електропровідність. За додавання до наночастинок цинку всього половини відсотка від загальної маси срібних нанодротів, провідність матеріалу збільшилася більш ніж в 1920 разів, а цієї кількості достатньо, щоб матеріал лишався безпечним. У результаті срібні елементи можуть бути повністю розчинені у воді, не викликаючи біологічної небезпеки, як показує дослідження цитотоксичності вченими. Нанокомпозити досягли своїх оптимальних характеристик завдяки спіканню у воді з ангідридом за кімнатної температури: пропіоновий ангідрид спочатку вступає в реакцію з водою з утворенням слабкої кислоти, яка усуває спонтанне окислення поверхні цинкових наночастинок і срібних нанодротів, а затим цинкові частинки осідають на їхній поверхні, утворюючи пасивуючий шар через випаровування води, який захистить матеріал від впливу кисню. За зберігання у звичайних умовах провідність композиту знизилася всього на 9,8 відсотка за 14 днів, що вказує на стабільність властивостей спечених зразків. Затим свій металевий розчин вони надрукували на полімерних плівках, що розкладаються у воді. Отримані у результаті схеми набули провідності у 307 664,4 сименса на метр, що як мінімум в чотири рази краще, ніж описані раніше підходи біорозкладної електроніки на полімерних плівках. Також вони демонструють високу механічну міцність, яка зменшилася всього на 8,9 відсотка після восьми тисяч вигинів та провідність, що зменшилася всього на 5,8 відсотка після розтягування стрічки. У порівнянні із чистими срібними нанодротами, які не розглядаються як біорозкладні матеріали через їхню нерозчинність у воді, додавання невеликої кількості їх розчин з цинкових наночастинок не лише покращує загальну провідність композита, а і полегшує реакцію срібла із цинком.

Однак, поки, за словами вчених, умови спікання ще не оптимізовані, оскільки для різних друкованих малюнків з різними розмірами необхідна різна кількість води для підтримування провідності. Тож може бути складно використовувати універсальні умови для всіх друкованих шаблонів, але у майбутніх експериментах вчені планують використовувати автоматичну систему подачі води, яка відстежує зміни провідності надрукованих малюнків під час процесу спікання і контролює дозу і час додавання води до надрукованих зразків. Втім, що найбільш важливо, перехідні схеми на друкованій платі дають змогу розробити першу перехідну побутову електроніку, зокрема розумний годинник, який має аналогічні функції і відповідну продуктивність, що і звичайна не біорозкладна електроніка. Подібні нанокомпозити і методи обробки можуть здійснити революцію у галузі переробки за рахунок спрощення процесів переробки і зниження витрат на неї, при цьому зменшивши забруднення навколишнього середовища і шкоду для здоров'я.

З чого вчені зібрали годинник?

Свою плату інженери поєднали із іншими компонентами схеми, такі як мікросхеми, резистори і конденсатори, що були розміщені на контактних майданчиках схем і з'єднані через біметалеві нанокомпозити з наступним спіканням в воді. Також до неї додали екран на органічних світлодіодах (OLED), мікроконтролер, модуль акселерометра і оксиметр, які також поєднали розробленим нанокомпозитом. Затим все це розмістили у розкладний браслет з полівінілового спирту та отримали розумний годинник. Він не поступається звичайним фітнес-трекерам та може відображати інформацію, як-то повідомлення і емодзі, за синхронізації із мобільним телефоном, відстежувати активність та навіть моніторити пульс. Годинник пропрацював більше місяця з моменту виготовлення та зберігав свою функцію поки його не розчинили у воді менш ніж за дві доби — 40 годин. Ті електронні компоненти, що залишилися, можна легко переробити для інших цілей, уникаючи утворення електронних відходів. Оскільки підкладки схеми мали товщину в один міліметр, їх можна розглядати як жорсткі, тож на думку дослідників, малоймовірно, що при щоденному використанні такої техніки вона зруйнується швидше, ніж подібні їй пристрої. Варто зазначити, що ваш годинник не розчиниться під дощем — вчені поливали його водою та визначили, що той зможе працювати і у гірших для електроніки умовах, аніж звичайна вологість у 40-70 відсотків. Також сама по собі технологія виготовлення — спікання у вологому середовищі — дає змогу контрольовано і одночасно виготовляти схеми великого розміру. Так завдяки використанню методу трафаретного друку нанокомпозити вдалося надрукувати на підкладці площею 270 квадратних сантиметрів, що містить три масиви електродів.

Jiameng Li et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021

Jiameng Li et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021

Як попрацював годинник?

Свій годинник вчені звісно спробували перевірити на практиці, тож змусили добровольця бігати, ходити і затримувати дихання. Так спершу годинник калібрували за комерційними пульсоксиметрами, а затим він і сам зміг відрізнити затримку дихання на 40 секунд, спокійний темп і біг. Також годинник записував інформацію про рівень кисню в крові і частоту серцевих скорочень протягом 12 годин, а його показання збігалися із комерційними фітнес-трекерами. Також годинник може відображати повідомлення та вхідні дзвінки за синхронізації з телефоном по Bluetooth. Тож його характеристики зовсім не відрізняються від звичних нам девайсів, однак його можна розчинити, а залишок зі срібних нанодротів та електронних компонентів можна легко зібрати для майбутнього використання. Також цитотоксичне дослідження показало, що навіть не зважаючи на нерозчинність срібла, отримані стружки не являють біологічної небезпеки.

Проблема з переробкою електронних пристроїв стоїть дуже гостро, тож вчені з різних сфер намагаються знайти способи мінімізувати шкідливий вплив електронних компонентів на навколишнє середовище. Так, наприклад, німецькі інженери розробили робота-маніпулятора, який може розібрати жорсткий диск за дев'ять дій і 16 хвилин. А американські створили біорозкладний матеріал для шльопанців із водорослевої олії, що розкладається в компості чи ґрунті за 16 тижнів.