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Die biologisch abbaubaren Halbleiter nehmen sich die Biegsamkeit der menschlichen Haut zum Vorbild.

Bild: Stanford University

Organische Halbleiter Elektronik wird biologisch abbaubar

09.05.2017

Schaltkreise auf dem Komposthaufen? Forscher an der Stanford University haben ein leicht zersetzbares Halbleiter-Polymer entwickelt, das so biegsam ist wie die menschliche Haut.

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Der Bedarf an Elektronik nimmt weltweit immer mehr zu und produziert damit auch immer größere Berge an umweltschädlichen Schrott. Laut einer Studie der Vereinten Nationen haben alleine im letzten Jahr die Abfälle um rund 20 Prozent im Vergleich zum Vorjahr zugenommen.

Mit dem ersten Halbleiter-Polymer und den ersten ultradünnen Transistoren, die vollständig biologisch abbaubar sind, zeigen Forscher der Stanford University nun Alternativen auf. Die Ergebnisse demonstrieren, dass es auch ökologisch nachhaltige und kostengünstige Wege für die Herstellung von Elektronik gibt.

Menschliche Haut als Vorbild

Angesichts der zunehmenden Abfallmengen änderten die Wissenschaftler um Zhenan Bao, Professorin für Chemietechnik an der Stanford University und Leiterin einer eigenen Forschergruppe, ihren Blickwinkel. Anstatt weiterhin auf anorganische und teils giftige Materialien und deren Verarbeitung zu setzen, ließen sich die Forscher vom menschlichen Körper inspirieren.

„Wir haben versucht, die menschliche Haut nachzuahmen. Ziel war es darüber nachzudenken, wie zukünftige elektronische Komponenten entwickelt werden könnten,“ erläutert Bao die Herangehensweise ihres Teams.

Denn die menschliche Haut ist dehnbar, heilt sich selbst und ist zudem biologisch vollständig abbaubar. Damit verfügt sie über einige Merkmale, die auch für elektronische Komponenten sehr interessant sind. Insbesondere die die Frage der Zersetzung stellte die Forscher bei der Suche nach einem geeigneten Polymer, das als Halbleiter dienen kann, vor eine große Herausforderung. „Wir haben versucht herauszufinden, wie wir sowohl elektrische Eigenschaften als auch biologische Abbaubarkeit erreichen können,“ sagt Bao.

Halbleiter vollständig in Essig auflösbar

Grundlage für die weiteren Überlegungen stellten zunächst die dehnbaren Elektroden dar, die die Wissenschaftler in einem früheren Projekt entwickelt hatten. Durch Veränderungen in der chemischen Struktur des flexiblen Materials gelang dann schließlich der Durchbruch: Die verwendeten, reversiblen Imin-Bindungen sind so beschaffen, dass sie weiterhin die elektrische Leitfähigkeit des Polymers sichern. Gleichzeitig sind sie sehr empfindlich gegenüber Säuren, selbst gegenüber sehr schwachen. Schon in reinem Essig lässt sich das Material problemlos zersetzen.

Den richtigen Träger gesucht und gefunden

Das Projekt endet aber nicht mit der Entwicklung eines Halbleiters. In der Folge konzipierte das Team von Zhenan Bao auch Schaltkreise und ein Trägermaterial, auf dem die Komponenten platziert werden können. Natürlich sind diese ebenfalls vollständig abbaubar. Für die Elektroden setzte man auf Eisen, das sowohl umweltfreundlich als auch für den Menschen ungiftig ist.

Das Trägermaterial für die elektrischen Komponenten beruht auf Cellulose. Die Forscher modifizierten diese und kreierten damit einen transparenten, dünnen und flexiblen Werkstoff. Das Trägermaterial erlaubt es, die Elektronik auf der Haut zu tragen. Zugleich ist auch denkbar, sie in Zukunft sogar in den menschlichen Körper implantiert werden könnten. Jedoch seien hierfür noch weitere Studien erforderlich, dämpft Bao zu große Erwartungen.

Die Vorteile und positiven Eigenschaften der Komponenten sind in jedem Fall jetzt schon beachtlich. Die Materialien sind leicht, dünn und können schon bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Entsprechend gering fallen auch Herstellungskosten aus. Die Schaltkreise weisen zudem eine vergleichsweise hohe Performance auf und arbeiten mit einer niedrigen Spannung von 4 V. Sie sind ebenfalls ultradünn mit einem Durchmesser von unter 2 μm und einem Gewicht von rund 2 g/m2.

Wegwerfen ohne schlechtes Gewissen

Die Forscher sehen in Zukunft eine breite Platte an möglichen Anwendungsgebieten für ihre abbaubare Elektronik. Prädestiniert ist sie natürlich vor allem für den Einsatz am Körper als wearable electronics – zum Beispiel als Sensor, der den Blutdruck oder -zucker misst. Nach der Verwendung könnte der Nutzer die Daten einfach herunterladen und das Gerät anschließend entsorgen, ohne Umweltschäden in Kauf nehmen zu müssen. Auch in größerem Maßstab könnten sich organische Sensoren lohnen.

Laut Bao ist ein Einsatz für Umweltstudien ebenso denkbar, etwa für Messungen in Waldgebieten. Man könnte die Messfühler in großer Zahl aus Flugzeugen abwerfen und müsste sie später nicht wieder aufsammeln, da sie nach gewisser Zeit von selbst zerfallen.

Natürlich sind die Wissenschaftler noch nicht so weit, derartige Pläne tatsächlich umsetzen zu können. Dennoch, angesichts des steigenden Bedarfs an Elektronik und der immer größer werdenden Abfallproblematik stellen biologisch abbaubare Komponenten eine lohnende Perspektive dar. Wir dürfen also gespannt sein, was die Forschung in den kommenden Jahren noch zu bieten hat.

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