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Os novos "eletrônicos transitórios" se dissolvem na presença de água, abrindo uma nova gama de possíveis aplicações. Imagem via Instituto Beckman, Universidade de Illinois e Universidade Tufts
Para a maioria de nós, um dispositivo eletrônico ideal é durável e de longa duração. Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores, no entanto, desenvolveu uma nova classe de circuitos que nos obriga a repensar nosso conceito do que a eletrônica pode fazer no mundo.
Sua invenção - um circuito ultrafino, claro e baseado em silício, que funciona por um período de tempo preciso, variando de minutos a anos e depois se dissolve completamente em água - poderia levar à implantação rotineira de minúsculos eletrônicos dentro do corpo ou no ambiente sem qualquer precisa extraí-los após o uso. A equipe de pesquisa, da Universidade Tufts, Universidade Northwestern e da Universidade de Illinois, revela seu avanço em um artigo publicado hoje na revista Science . Eles se referem a ele como uma entrada inicial em um novo campo chamado "eletrônica transitória".
"Esses aparelhos eletrônicos estão lá quando você precisa deles, e depois de terem cumprido seu propósito eles desaparecem", disse Yonggang Huang, que liderou a equipe da Northwestern, que se concentrou em teoria, design e modelagem. "Este é um conceito completamente novo."
Os circuitos dentro da eletrônica convencional são feitos de silício, um material que naturalmente se dissolve na água ao longo do tempo, mas a taxas que significam que um circuito típico levaria centenas de anos para desaparecer. As folhas de silício que compõem esses novos componentes eletrônicos transitórios, no entanto, têm apenas alguns nanômetros de espessura, de modo que podem se dissolver ao longo de minutos quando entram em contato com até mesmo um pequeno volume de água ou um fluido corporal. Veja como o circuito se dissolve (quase como uma faixa refrescante) quando é borrifado com água, 15 segundos neste vídeo:
Até agora, imprimindo circuitos usando condutores solúveis (como magnésio ou óxido de magnésio) nas folhas de silício ultrafino, os pesquisadores criaram transistores funcionais, diodos, bobinas de energia sem fio, sensores de temperatura e tensão, fotodetectores, células solares, osciladores de rádio, antenas e até mesmo câmeras digitais de 64 pixels simples que se dissolvem completamente.
A equipe de pesquisa imagina uma gama de diferentes aplicações para sua invenção. Atualmente, os cirurgiões relutam em implantar dispositivos médicos de monitoramento (por exemplo, para verificar uma infecção pós-cirurgia) devido à dificuldade de extraí-los. Mas um implante feito de eletrônica transitória que realizou uma função de diagnóstico ou monitoramento por um determinado período de tempo, então dissolvido com segurança no corpo, pode se tornar uma maneira rotineira de um médico acompanhar o progresso do paciente após a cirurgia. Outros dispositivos transitórios podem monitorar a temperatura ou a atividade muscular, ou administrar medicamentos internamente.
Em ratos, a equipe demonstrou com sucesso um implante que monitorou uma infecção bacteriana em um local de incisão cirúrgica e poderia erradicá-lo via aquecimento, se necessário. Três semanas após o implante, apenas vestígios do circuito permaneceram na pele do rato.
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Os pesquisadores implantaram uma placa de circuito transiente na pele de um rato para testar a viabilidade do uso de tecnologias como dispositivos de monitoramento pós-cirúrgico em humanos. Imagem via Instituto Beckman, Universidade de Illinois e Universidade Tufts
Além disso, circuitos transitórios podem ser usados em situações de monitoramento ambiental, como o uso de sensores sem fio que são aplicados após um derramamento de óleo para rastrear as condições do solo antes de se dissolver após um determinado período de tempo. Os monitores também podem ser colocados em edifícios ou estradas para detectar a deformação estrutural gradual ao longo do tempo. Os circuitos transientes podem até entrar nos produtos eletrônicos de consumo - os circuitos internos de um telefone talvez pudessem ser projetados para se dissolver na presença de um líquido específico - para combater a quantidade crescente de lixo eletrônico produzido à medida que atualizamos frequentemente telefones ou outros dispositivos.
Como o silício é naturalmente abundante no meio ambiente e o material condutor, o magnésio, é biocompatível - e ocorre naturalmente no corpo - os pesquisadores acreditam que os circuitos não prejudicarão a saúde ou o meio ambiente quando se dissolverem. Obviamente, resta saber se esse é o caso, e mais testes são necessários antes que a invenção seja implementada.
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Circuitos transientes podem ser usados em aplicações de monitoramento ambiental, eliminando a necessidade de limpeza posterior. Imagem via Instituto Beckman, Universidade de Illinois e Universidade Tufts
Cada uma dessas várias aplicações exigiria diferentes taxas de decaimento. “Um implante médico projetado para lidar com possíveis infecções de incisões cirúrgicas é necessário apenas por algumas semanas. Mas para um dispositivo eletrônico de consumo, você gostaria que ele ficasse por pelo menos um ano ou dois ”, disse John Rogers, que liderou o grupo da Universidade de Illinois que trabalhou em experimentação e fabricação.
Para controlar quanto tempo um circuito permanece, os pesquisadores cobrem com camadas de seda protetora de diferentes espessuras. Quanto mais espessa a seda, mais tempo demora a dissolver e só então o silício começa a desintegrar-se. Até que a seda desapareça, os circuitos podem funcionar enquanto completamente submersos em água ou um líquido salino tamponado com fosfato, quimicamente similar aos fluidos no corpo humano.
O grupo de pesquisa está atualmente refinando seus projetos e realizando mais testes em animais, além de trabalhar com um fabricante de semicondutores para testar o potencial de fabricação em escala industrial. O fato de a tecnologia depender de circuitos de impressão em uma superfície de silício - como a grande maioria dos eletrônicos existentes - significa que pequenas alterações no processo de fabricação podem resultar em circuitos transientes funcionais.
"É um conceito novo, então há muitas oportunidades, muitas das quais provavelmente ainda não identificamos", disse Rogers. “Estamos muito animados. Essas descobertas abrem áreas totalmente novas de aplicação ”.