TREND Transiente Elektronik: Kontrollierte Selbstzerstörung

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Eigentlich soll Elektronik möglichst lange und stabil funktionieren. Intelligente Implantate allerdings, die sich im Körper nach getaner Arbeit selbst auflösten, würden vielen Patienten eine weitere Operation ersparen.

In Spionagefilmen lösen sich Geräte nach der Übermittlung ihrer geheimen Botschaften gerne in Rauch auf. Solche Harakiri-Chips werden tatsächlich seit einiger Zeit entwickelt. Und zwar anfangs aus ähnlichen Gründen. So ist denn auch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) – eine Behörde des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten – bislang für die meisten Projekte verantwortlich. Daneben gab es noch einige zaghafte Versuche mit der Technologie dem wachsenden Elektromüll Herr zu werden. Von Erfolg gekrönt ist dieser Bereich aber bislang nicht.

Einen erheblichen Aufschwung dagegen erfährt diese sogenannte „transiente Elektronik“ nun durch Entwicklungen in der Medizintechnik. Intelligente Implantate werden zunehmend unverzichtbarer Bestandteil moderner Therapien. Der Nachteil: Sie müssen im Normalfall nach einiger Zeit wieder operativ entfernt werden, da Langzeitimplantate zu gefährlichen Immunreaktionen führen können. Würden sie sich stattdessen einfach selbst auflösen, käme das sowohl den Patienten als auch den Krankenkassen zugute.

Selbstauflösender Mikro-Sensor

Ein 64-Pixel-ChipSo der Universität von Illinois macht genau das. Er überwacht eine Operationswunde und löst sich durch den Kontakt mit Wasser dann selbständig auf. Die Hülle aus einem Seide-Protein kann sich dabei je nach Beschaffenheit in Minuten, Tagen oder sogar erst nach Jahren auflösen.

Das selbe Forscher-Team stellte erst kürzlich zusammen mit Wissenschaftlern der Washington University School of Medicine (WUSTL) ein winziges Sensor-Implantat vor, das Daten zu Schädelinnendruck und Temperatur aus dem Gehirn „funkt“ und nach einigen Wochen rückstandsfrei verschwindet.

Der Piezoresistive Drucksensor ist nur etwa einen Millimeter lang und 0,1 Millimeter dick. Er besteht hauptsächlich aus extrem dünnen Silizium und organischen Substanzen auf Milchsäurebasis (Polylactid-co-Glycolid). Beide können in geringen Mengen problemlos vom Körper abgebaut werden. Die Geschwindigkeit hängt dabei von der Dicke des Siliziums ab. Während herkömmliche Siliziumchips sich erst nach tausend Jahren selbst auflösen, verschwinden Nanometer kleine Bauteile aus dem gleichen Material schon nach wenigen Wochen.

Die reiskorngroßen Sensoren sendeten aus der Gehirnrinde von Ratten etwa eine Woche lang Daten, nach drei Monaten waren sie vollständig verschwunden. Kontrollversuche haben gezeigt, dass die Messergebnisse mit denen herkömmlicher Methoden absolut vergleichbar sind. Nun wären sie eigentlich bereit für klinische Anwendungen.

Wasserlösliche Batterie

Der erste praxistaugliche selbstzerstörende Energiespeicher kommt von Forschern der Iowa State University. Ihre wenige Millimeter große Lithium-Ionen-Batterie löst sich innerhalb von 30 Minuten in Wasser auf. Mit einer Betriebsspannung von 2,5 Volt könnte sie selbst größere Taschenrechner für 15 Minuten zu betreiben. Die Batterie verschwindet zwar nicht völlig, zurück bleiben jedoch nur Nanopartikel.

Solche Batterien sind jedoch für die Stromversorgung von Implantaten wohl meist die zweite Wahl. Elegantere Lösungen sind da Radiowellen von außen, die vom Implantat in Gleichstrom umgewandelt werden oder aber die Energie-Harvesting-Methode. Da flüchtige Elektronik im Wesentlichen aus Magnesium, Zink- und Magnesiumoxiden sowie Silizium besteht, bieten sich dafür die piezoelektrischen Eigenschaften des Zinks an. Sie wandeln etwa die Bewegungsenergie von Muskeln in Strom um.

Transiente Elektronik mit Ei

Chinesische Wissenschaftler haben dem Arsenal an „vorübergehenden“ Bauteilen nun mit dem Memristor (Memory Resistor) ein neues hinzugefügt. Wie ein Flash-Speicher behält er die Information auch, wenn kein Strom fließt. Allerdings mit deutlich geringerem Raum- und Energiebedarf, da er ohne Transistoren und Kondensatoren auskommt. Allerdings liegen die „Gedächtniswiderstände“ nur als Prototypen vor.

Das hielt die Forscher aber nicht davon ab, schon einmal eine „Eier-Version“ des Bauteils zu entwickeln. Die soll ähnlich leistungsfähig sein wie die seiner langlebigeren Brüder. Die Herstellung klingt wie ein Kochrezept. In Wasser aufgelöstes Eiweiß wird als ultradünner Film auf einen Silizium-Wafer geschmiert und mit winzigen Elektroden aus Magnesium und Wolfram versehen. Danach geht es in Ofen.

Heraus kommt ein Memristor, der im Trockenen drei Monate zuverlässig seinen Dienst tut, im Wasser sich aber innerhalb weniger Stunden auflöst. Guten Appetit!

Transiente Electronik

Bioelektronische Sensoren lösen sich nach Gebrauch einfach selbst auf. (Bild: University of Illinois).