Viste dall'alto e in sezione di transistor basati su thread. I fili di sorgente (S) e di drenaggio (D) sono legati a un filo rivestito di nanotubi di carbonio, immerso in un gel di gate elettrolitico. Un filo di gate è collegato al gel per attivare il flusso di elettroni attraverso il transistor quando il gate è al di sopra di una tensione di soglia. Credito:Nano Lab, Tufts University
Un team di ingegneri ha sviluppato un transistor realizzato con filo di lino, consentendo loro di creare dispositivi elettronici realizzati interamente con fili sottili che potrebbero essere intrecciati in tessuto, indossato sulla pelle, o anche (teoricamente) impiantato chirurgicamente per il monitoraggio diagnostico. I dispositivi elettronici completamente flessibili potrebbero consentire un'ampia gamma di applicazioni che si adattano a forme diverse e consentono la libera circolazione senza compromettere la funzione, dicono i ricercatori.
In uno studio pubblicato su Materiali e interfacce applicati ACS , gli autori descrivono l'ingegneria dei primi transistor basati su thread (TBT) che possono essere modellati in semplici, circuiti logici basati su all-thread e circuiti integrati. I circuiti sostituiscono l'ultimo componente rigido rimasto di molti dispositivi flessibili attuali, e quando combinato con sensori basati su filo, consentire la creazione di soluzioni completamente flessibili, dispositivi multiplexati.
Il campo dell'elettronica flessibile si sta espandendo rapidamente, con la maggior parte dei dispositivi che ottengono flessibilità modellando metalli e semiconduttori in strutture "ondulate" pieghevoli o utilizzando materiali intrinsecamente flessibili come i polimeri conduttori. Questa elettronica "morbida" consente applicazioni per dispositivi che si conformano e si allungano con il tessuto biologico in cui sono incorporati, come la pelle, cuore o anche tessuto cerebrale.
Però, rispetto all'elettronica basata su polimeri e altri materiali flessibili, l'elettronica basata su filettatura ha una flessibilità superiore, diversità materiale, e la possibilità di essere fabbricati senza la necessità di camere bianche, dicono i ricercatori. L'elettronica basata su thread può includere dispositivi diagnostici estremamente sottili, abbastanza morbido e flessibile da integrarsi perfettamente con i tessuti biologici che stanno misurando.
Figura 1:Fabbricazione di transistor a base di filo (TBT) a) Filo di linob) Collegamento di fili d'oro sottili di source (S) e drain (D) c) Colata a goccia di nanotubi di carbonio sulla superficie del filetto) Applicazione di gel infuso di elettrolita ( ionogel) gate materiale) Fissaggio del filo del gate (G) f) Vista in sezione del TBT. ElettrolitiEMI:1-etil-3metilimidazolo TFSI:bis(trifluorometilsolfonil)immide. Credito:Nano Lab, Tufts University
Gli ingegneri di Tufts hanno precedentemente sviluppato una suite di temperatura basata su filo, glucosio, sforzo, e sensori ottici, così come fili microfluidici che possono attingere campioni da, o dispensare farmaci a, il tessuto circostante. I transistor basati su thread sviluppati in questo studio consentono la creazione di circuiti logici che controllano il comportamento e la risposta di tali componenti. Gli autori hanno creato un semplice circuito integrato su piccola scala chiamato multiplexer (MUX) e lo hanno collegato a una serie di sensori basati su thread in grado di rilevare ioni sodio e ammonio, importanti biomarcatori per la salute cardiovascolare, funzionalità epatica e renale.
"Negli esperimenti di laboratorio, siamo stati in grado di mostrare come il nostro dispositivo potrebbe monitorare i cambiamenti nelle concentrazioni di sodio e ammonio in più posizioni, " disse Rachel Owyeung, uno studente laureato presso la Tufts University School of Engineering e primo autore dello studio. "Teoricamente, potremmo ampliare il circuito integrato che abbiamo realizzato con i TBT per collegare una vasta gamma di sensori che tracciano molti biomarcatori, in molti luoghi diversi utilizzando un unico dispositivo."
Fare un TBT (vedi Figura 1) comporta il rivestimento di un filo di lino con nanotubi di carbonio, che creano una superficie semiconduttrice attraverso la quale possono viaggiare gli elettroni. Attaccati al filo ci sono due sottili fili d'oro:una "sorgente" di elettroni e un "drenaggio" da cui fuoriescono gli elettroni (in alcune configurazioni, gli elettroni possono fluire nell'altra direzione). Un terzo filo, chiamato il cancello, è attaccato al materiale che circonda il filo, in modo tale che piccole variazioni di tensione attraverso il filo di gate consentano a una grande corrente di fluire attraverso il filo tra la sorgente e il drenaggio, il principio di base di un transistor.
Un'innovazione critica in questo studio è l'uso di un gel infuso di elettroliti come materiale che circonda il filo e collegato al filo di gate. In questo caso, il gel è costituito da nanoparticelle di silice che si autoassemblano in una struttura a rete. Il gel elettrolitico (o ionogel) può essere facilmente depositato sul filo mediante rivestimento per immersione o tamponamento rapido. A differenza degli ossidi o polimeri allo stato solido utilizzati come materiale di gate nei transistor classici, lo ionogel è resistente allo stiramento o alla flessione.
"Lo sviluppo dei TBT è stato un passo importante nella realizzazione di un'elettronica completamente flessibile, in modo che ora possiamo rivolgere la nostra attenzione al miglioramento del design e delle prestazioni di questi dispositivi per possibili applicazioni, " disse Sameer Sonkusale, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Tufts University School of Engineering e corrispondente autore dello studio. "Esistono molte applicazioni mediche in cui la misurazione in tempo reale dei biomarcatori può essere importante per il trattamento delle malattie e il monitoraggio della salute dei pazienti. La capacità di integrare completamente un dispositivo di monitoraggio diagnostico morbido e flessibile che il paziente difficilmente nota potrebbe essere piuttosto potente".
