В исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials and Interfaces, авторы описывают разработку первых поточных транзисторов (TBT), которые могут быть преобразованы в простые, многопоточные логические схемы и интегральные схемы. Эти схемы заменяют последний оставшийся жесткий компонент многих современных гибких устройств и в сочетании с датчиками на основе нитей позволяют создавать полностью гибкие, мультиплексированные устройства.
Область гибкой электроники быстро расширяется, и большинство устройств достигают гибкости за счет формирования из металлов и полупроводников гибких «волнистых» структур или использования по своей сути гибких материалов, таких как проводящие полимеры.
Эта «мягкая» электроника позволяет применять устройства, которые соответствуют биологической ткани, в которую они встроены, например, коже, сердцу или даже ткани головного мозга, и растягиваются с ней.
Однако по сравнению с электроникой, основанной на полимерах и других гибких материалах, электроника на основе нитей обладает превосходной гибкостью, разнообразием материалов и возможностью производства без необходимости чистых помещений, говорят исследователи. Электроника на основе нитей может включать в себя диагностические устройства, которые являются чрезвычайно тонкими, мягкими и достаточно гибкими, чтобы легко интегрироваться с биологическими тканями, которые они измеряют.
Инженеры Тафтса ранее разработали набор датчиков температуры, глюкозы, деформации и оптических датчиков на основе нитей, а также микрофлюидных нитей, которые могут отбирать образцы из окружающей ткани или распределять лекарства в нее.
Транзисторы на основе потоков, разработанные в этом исследовании, позволяют создавать логические схемы, которые управляют поведением и откликом этих компонентов. Авторы создали простую небольшую интегральную схему, называемую мультиплексором (MUX), и соединили ее с массивом датчиков на основе потоков, способных обнаруживать ионы натрия и аммония – важные биомаркеры для здоровья сердечно-сосудистой системы, функции печени и почек.
«В лабораторных экспериментах мы смогли показать, как наше устройство может отслеживать изменения концентраций натрия и аммония в нескольких местах», – сказала Рэйчел Овён, аспирантка инженерной школы Университета Тафтса и первый автор исследования. «Теоретически мы могли бы масштабировать интегральную схему, которую мы сделали из TBT, чтобы присоединить большой массив датчиков, отслеживающих множество биомаркеров, во многих разных местах с помощью одного устройства."
Создание TBT включает покрытие льняной нити углеродными нанотрубками, которые создают поверхность полупроводника, через которую могут проходить электроны.
К нити прикреплены две тонкие золотые проволочки – «источник» электронов и «сток», по которому электроны вытекают (в некоторых конфигурациях электроны могут течь в другом направлении). Третий провод, называемый затвором, прикреплен к материалу, окружающему резьбу, так что небольшие изменения напряжения через провод затвора позволяют большому току течь через резьбу между истоком и стоком – основной принцип транзистора.
Важным нововведением в этом исследовании является использование геля с электролитом в качестве материала, окружающего резьбу и соединенного с проводом затвора.
В этом случае гель состоит из наночастиц диоксида кремния, которые самоорганизуются в сетчатую структуру. Электролитный гель (или ионогель) можно легко нанести на резьбу путем нанесения покрытия окунанием или быстрого тампона.
В отличие от твердотельных оксидов или полимеров, используемых в качестве материала затвора в классических транзисторах, ионогель эластичен при растяжении или изгибе.
«Разработка TBT была важным шагом в создании полностью гибкой электроники, так что теперь мы можем обратить наше внимание на улучшение конструкции и производительности этих устройств для возможных приложений», – сказал Самир Сонкусале, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Университете Тафтса.
Школа инженерии и автор-корреспондент исследования. "Есть много медицинских приложений, в которых измерение биомаркеров в реальном времени может быть важным для лечения болезней и мониторинга здоровья пациентов. Возможность полностью интегрировать мягкое и гибкое диагностическое устройство мониторинга, которое почти не замечает пациент, может быть весьма мощной."