Forscher bauen biologisch abbaubare Computerchips

Ein US-Forscherteam hat biologisch abbaubare elektronische Bauteile entwickelt: Die Transistoren, Dioden, Widerstände und Induktionsspulen lösen sich bei Kontakt mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten nach einer genau definierten Zeitspanne komplett auf. Möglich wird das zum einen durch die verwendeten Materialien – sie bestehen ausschließlich aus Silizium, Magnesium und Seidenproteinen – und zum anderen durch das besondere Design und die Miniaturisierung.

Eingesetzt werden könnte diese transiente Elektronik, wie die Forscher sie nennen, zum Beispiel für medizinische Implantate, die eine Zeitlang Körperfunktionen überwachen und sich auflösen, wenn sie nicht mehr gebraucht werden. Doch auch eine Nutzung in der Umweltsensorik oder für kompostierbare Unterhaltungselektronik sei denkbar, berichtet das Team um Suk-Won Hwang von der University of Illinois in Urbana-Champaign im Fachblatt „Science“.

Beim Bau von elektronischen Bauteilen sei das Ziel normalerweise, sie so haltbar wie möglich zu machen, erläutert Seniorautor John Rogers die Hintergründe der neuen Entwicklung. Seine Gruppe habe dagegen in genau die entgegengesetzte Richtung gedacht – schließlich gebe es Anwendungen, bei denen konventionelle Elektronik genau wegen ihrer langen Haltbarkeit gar nicht eingesetzt werden könne. Allen voran seien das medizinische Problemstellungen: Hier könnten in den Körper implantierte Chips zwar häufig von großem Nutzen sein, das Risiko, das mit dem Verbleib der Bauteile im Gewebe oder mit einer operativen Entfernung einhergehe, sei jedoch zu groß. Dieses Problem besteht bei den neuen transienten Bauteilen nicht.

Widerstände, Dioden, Transistoren – alles abbaubar

Bisher ist es den Forschern gelungen, Induktionsspulen, Kondensatoren, Widerstände, Dioden, Transistoren, Verbindungsstücke und Schalteinheiten herzustellen. Daraus gebaut haben sie bereits Temperatur- und Spannungssensoren, Lichtdetektoren, einfache Solarzellen, Quarzoszillatoren und Antennen für Radios sowie eine einfache Digitalkamera. Auch ein auflösbarer Chip, der nach einer Operation in die Wunde eingesetzt werden kann und in den folgenden drei Wochen immer wieder das Gewebe aufheizt, um eine Infektion zu verhindern, hat sich bereits im Versuch mit einer Ratte bewährt. Als nächstes will sich das Team auf andere konkrete Anwendungen konzentrieren und nach einer Möglichkeit suchen, die transiente Elektronik in großem Maßstab zu produzieren.

Dieser Schaltkreis hat sich im Wassertropfen bereits fast vollständig aufgelöst. © Beckman Institute, University of Illinois

Design und Material bestimmen Abbaubarkeit

Die neuen Bauteile lassen sich so entwerfen, dass sie sich je nach Bedarf bereits nach wenigen Minuten oder erst nach einigen Wochen oder sogar Monaten auflösen. Sie bestehen ausschließlich aus Materialien, mit denen der Körper ohnehin arbeitet oder die körpereigenen Materialien stark ähneln. Als Substrat verwenden die Wissenschaftler beispielsweise Seidenproteine, die sie aus den Kokons der Seidenraupe gewinnen, auflösen und unter kontrollierten Bedingungen wieder kristallisieren lassen. Alle leitenden Teile wie Drähte oder ähnliches bestehen aus Magnesium, nicht leitende Bereiche aus Magnesiumoxid.

Als Halbleiter fungiert Silizium, genau wie bei konventioneller Elektronik. Das sei wichtig gewesen, um eine hohe Leistungsfähigkeit sicherzustellen, sagt Rogers. Versuche, andere biologisch abbaubare Halbleiter zu verwenden, hätten sich bisher nicht bewährt. Das Team setzt das Silizium allerdings nicht in Form der üblichen Wafer ein, sondern als extrem dünne Nanomembran. Denn: Ein herkömmlicher Chip würde etwa 1.000 Jahre brauchen, um sich aufzulösen, erläutert Rogers, während die Nanomembranen mit weniger als einem Tausendstel Milligramm Silizium auskommen und deswegen bereits nach wenigen Minuten im Wasser verschwunden sind.

Wie schnell sich ein Chip oder Sensor insgesamt auflöst, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die sich alle getrennt voneinander beeinflussen lassen, berichtet das Team. Meist werden die einzelnen Bauteile auf dem Seidensubstrat angeordnet und dann in einer Hülle aus Seide und Magnesiumoxid eingekapselt. Das Design dieser Hülle bestimmt maßgeblich die Auflösungsgeschwindigkeit. Erst wenn sie verschwunden ist, beginnen sich die Schaltkreise und Transistoren aufzulösen und dabei ihre Funktion zu verlieren. (doi: 10.1126/science.1226325).

(University of Illinois, Science, 28.09.2012 – ILB)