Ett team av ingenjörer har utvecklat en transistor gjord av lintråd, gör det möjligt för dem att skapa elektroniska enheter helt gjorda av tunna trådar som kan vävas in i tyg, bärs på huden, eller till och med (teoretiskt) implanteras kirurgiskt för diagnostisk övervakning. De helt flexibla elektroniska enheterna kan möjliggöra ett brett utbud av applikationer som överensstämmer med olika former och tillåter fri rörlighet utan att kompromissa med funktionen, säger forskarna.

I en studie publicerad i ACS tillämpade material och gränssnitt , författarna beskriver konstruktion av de första trådbaserade transistorerna (TBT) som kan formas till enkla, alltrådsbaserade logiska kretsar och integrerade kretsar. Kretsarna ersätter den sista kvarvarande stela komponenten i många nuvarande flexibla enheter, och i kombination med trådbaserade sensorer, möjliggöra skapandet av helt flexibla, multiplexade enheter.

Området för flexibel elektronik expanderar snabbt, med de flesta enheter som uppnår flexibilitet genom att mönstra metaller och halvledare till böjbara "vågiga" strukturer eller genom att använda inneboende flexibla material som ledande polymerer. Denna "mjuka" elektronik möjliggör applikationer för enheter som överensstämmer med och sträcker sig med den biologiska vävnaden där de är inbäddade, som hud, hjärta eller till och med hjärnvävnad.

Dock, jämfört med elektronik baserad på polymerer och andra flexibla material, trådbaserad elektronik har överlägsen flexibilitet, materiell mångfald, och förmågan att tillverkas utan behov av renrum, säger forskarna. Den trådbaserade elektroniken kan inkludera diagnostiska enheter som är extremt tunna, mjuk och flexibel nog att integreras sömlöst med de biologiska vävnaderna som de mäter.

Tufts-ingenjörerna utvecklade tidigare en serie trådbaserade temperaturer, glukos, anstränga, och optiska sensorer, samt mikrofluidiska trådar som kan dra in prover från, eller dispensera droger till, den omgivande vävnaden. De trådbaserade transistorerna som utvecklats i denna studie tillåter skapandet av logiska kretsar som styr beteendet och responsen hos dessa komponenter. Författarna skapade en enkel, småskalig integrerad krets som kallas en multiplexer (MUX) och kopplade den till en trådbaserad sensoruppsättning som kan detektera natrium- och ammoniumjoner - viktiga biomarkörer för kardiovaskulär hälsa, lever- och njurfunktion.

"I laboratorieförsök, vi kunde visa hur vår enhet kunde övervaka förändringar i natrium- och ammoniumkoncentrationer på flera platser, sa Rachel Owyeung, en doktorand vid Tufts University School of Engineering och första författare till studien. "Teoretiskt sett, vi skulle kunna skala upp den integrerade kretsen vi gjorde av TBT:erna för att ansluta en stor mängd sensorer som spårar många biomarkörer, på många olika platser med en enhet."

Att göra en TBT (se figur 1) innebär att belägga en lintråd med kolnanorör, som skapar en halvledaryta genom vilken elektroner kan färdas. Två tunna guldtrådar är fästa vid tråden - en "källa" för elektroner och en "drain" där elektronerna rinner ut (i vissa konfigurationer, elektronerna kan strömma åt andra hållet). En tredje tråd, kallade porten, är fäst vid material som omger tråden, så att små förändringar i spänningen genom gate-tråden tillåter en stor ström att flyta genom tråden mellan source och drain - den grundläggande principen för en transistor.

En kritisk innovation i denna studie är användningen av en elektrolytinfunderad gel som materialet som omger tråden och ansluts till gate-tråden. I detta fall, gelén består av nanopartiklar av kiseldioxid som självmonteras till en nätverksstruktur. Elektrolytgelen (eller jonogelen) kan enkelt avsättas på tråden genom doppbeläggning eller snabb svabbning. I motsats till de fasta oxider eller polymerer som används som grindmaterial i klassiska transistorer, jonogelen är elastisk under sträckning eller böjning.

"Utvecklingen av TBT var ett viktigt steg för att göra helt flexibel elektronik, så att vi nu kan rikta vår uppmärksamhet mot att förbättra design och prestanda för dessa enheter för möjliga tillämpningar, " sa Sameer Sonkusale, professor i elektro- och datateknik vid Tufts University School of Engineering och motsvarande författare till studien. "Det finns många medicinska tillämpningar där realtidsmätning av biomarkörer kan vara viktig för att behandla sjukdomar och övervaka patienters hälsa. Möjligheten att fullt ut integrera en mjuk och smidig diagnostisk övervakningsenhet som patienten knappt märker kan vara ganska kraftfull."