Η τεχνολογία των φορετών συσκευών (wearables) και των βιοϊατρικών αισθητήρων βρίσκεται συχνά αντιμέτωπη με ένα βασικό εμπόδιο: τη χημεία. Η κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που να είναι ταυτόχρονα εύκαμπτα, αγώγιμα και απόλυτα ασφαλή για τον ανθρώπινο οργανισμό απαιτεί συνήθως περίπλοκες διαδικασίες και τοξικούς διαλύτες. Ωστόσο, μια νέα ανακάλυψη από τα πανεπιστήμια του Linköping και του Lund στη Σουηδία έρχεται να απλοποιήσει δραματικά το τοπίο, εισάγοντας μια διαδικασία που θυμίζει περισσότερο... εκτύπωση με φως παρά βιομηχανική παραγωγή.
Η ερευνητική ομάδα παρουσίασε μια καινοτόμο τεχνική που επιτρέπει τον σχηματισμό ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης πάνω σε οποιαδήποτε επιφάνεια – από γυαλί και ύφασμα μέχρι ζωντανό ιστό – χρησιμοποιώντας απλώς ορατό φως και ειδικά σχεδιασμένα μονομερή που διαλύονται στο νερό.
Η καινοτομία της «φωτεινής» χημείας
Στην καρδιά αυτής της μεθόδου βρίσκονται τα αγώγιμα πλαστικά, ή αλλιώς συζυγή πολυμερή. Πρόκειται για υλικά που συνδυάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες των μετάλλων και των ημιαγωγών με την ευκαμψία και το χαμηλό βάρος του πλαστικού. Παραδοσιακά, η δημιουργία αυτών των πολυμερών απαιτεί ισχυρά χημικά αντιδραστήρια ή υπεριώδη ακτινοβολία (UV), παράγοντες που καθιστούν την εφαρμογή τους πάνω σε βιολογικούς ιστούς απαγορευτική και την κλιμάκωση της παραγωγής δαπανηρή και επικίνδυνη.
Η σουηδική ομάδα, σε συνεργασία με ερευνητές από το Νιου Τζέρσεϊ, ανέτρεψε τα δεδομένα σχεδιάζοντας μονομερή τα οποία ενεργοποιούνται και ενώνονται σε αλυσίδες πολυμερών μόλις εκτεθούν σε κοινό, ορατό φως. Δεν απαιτούνται λέιζερ υψηλής ισχύος ή ειδικοί θάλαμοι, καθώς ακόμα και μια απλή πηγή φωτός LED αρκεί για να ξεκινήσει η διαδικασία.
Ο Ξενοφών Στρακόσας, επίκουρος καθηγητής στο Εργαστήριο Οργανικών Ηλεκτρονικών (LOE) του Πανεπιστημίου Linköping και βασικό στέλεχος της έρευνας, χαρακτηρίζει την εξέλιξη αυτή ως σημαντική τομή. Όπως εξηγεί, πρόκειται για έναν εναλλακτικό δρόμο δημιουργίας ηλεκτρονικών που καταργεί την ανάγκη για ακριβό εξοπλισμό, καθιστώντας την τεχνολογία πιο προσιτή και ευέλικτη.
Από το εργαστήριο στην πραγματική εφαρμογή
Η διαδικασία είναι εντυπωσιακά απλή στη σύλληψή της: ένα διάλυμα που περιέχει τα ειδικά μονομερή τοποθετείται στην επιθυμητή επιφάνεια. Στη συνέχεια, μια δέσμη φωτός «ζωγραφίζει» το σχέδιο του κυκλώματος. Μόνο στα σημεία που πέφτει το φως τα μονομερή μετατρέπονται σε στερεό, αγώγιμο πλαστικό. Το υπόλοιπο υλικό ξεπλένεται εύκολα, αφήνοντας πίσω του έτοιμα ηλεκτρόδια με εξαιρετική ακρίβεια σχεδιασμού.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα, όμως, εντοπίζεται στη βιοσυμβατότητα. Ο Tobias Abrahamsson, ερευνητής στο LOE και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Angewandte Chemie, τονίζει ότι η «ήπια χημεία» της μεθόδου διασφαλίζει ότι οι ιστοί ανέχονται τα υλικά χωρίς αντιδράσεις. Ταυτόχρονα, το υλικό έχει την ικανότητα να μεταφέρει τόσο ηλεκτρόνια όσο και ιόντα, επιτρέποντας μια φυσική «επικοινωνία» με το σώμα, στοιχείο κρίσιμο για ιατρικές εφαρμογές.
Αποδείξεις επί... δέρματος
Για να επιβεβαιώσουν τη λειτουργικότητα της μεθόδου, οι επιστήμονες προχώρησαν σε πειράματα απευθείας πάνω σε δέρμα αναισθητοποιημένων ποντικών. Δημιούργησαν ηλεκτρόδια με φωτο-εκτύπωση και κατέγραψαν την εγκεφαλική δραστηριότητα. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: οι καταγραφές των εγκεφαλικών σημάτων χαμηλής συχνότητας ήταν σαφώς ανώτερες σε ποιότητα συγκριτικά με αυτές που λαμβάνονται από τα συμβατικά μεταλλικά ηλεκτρόδια EEG.
Αυτό το εύρημα ανοίγει το δρόμο για μια νέα γενιά διαγνωστικών εργαλείων. Φανταστείτε αισθητήρες που δεν χρειάζονται τζελ ή κόλλες, αλλά «τυπώνονται» προσωρινά στο δέρμα για μια εξέταση και μετά αφαιρούνται, ή ηλεκτρονικά κυκλώματα ενσωματωμένα στην ύφανση των ρούχων μας που παρακολουθούν ζωτικές λειτουργίες χωρίς να τα νιώθουμε.
Το μέλλον των οργανικών ηλεκτρονικών
Η δυνατότητα χρήσης ορατού φωτός για την παραγωγή αγώγιμων υλικών δεν αφορά μόνο την ιατρική. Η μέθοδος προσφέρει μια βιώσιμη λύση για τη βιομηχανική παραγωγή οργανικών κυκλωμάτων σε μεγάλη κλίμακα, αφαιρώντας από την εξίσωση τους επικίνδυνους διαλύτες και μειώνοντας το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της διαδικασίας.
Το γεγονός ότι η τεχνική λειτουργεί σε ποικίλες επιφάνειες, όπως γυαλί και υφάσματα, δίνει στους μηχανικούς σχεδιασμού πρωτοφανή ελευθερία. Η τεχνολογία, που μέχρι χθες φάνταζε πολύπλοκη και δαπανηρή, μετατρέπεται σε κάτι που μπορεί κυριολεκτικά να σχεδιαστεί με έναν φακό.
Καθώς η έρευνα προχωρά, το επόμενο βήμα είναι η περαιτέρω ανάπτυξη εφαρμογών που εκμεταλλεύονται αυτή την ευκολία. Από έξυπνους επιδέσμους που παρακολουθούν την επούλωση τραυμάτων μέχρι πλήρως ενσωματωμένα συστήματα υγείας στην καθημερινή ένδυση.
