Для студентів спеціальностей 161 «Хімічні технології та інженерія» і 176 «Мікрота наносистемна техніка». 

     У навчальному посібнику наведено характеристика матеріалів біологічного походження - целюлози та її похідних, крохмалю, хітину, шовкового фіброїну, лігніну, колагену, шелаку, які розглядаються як сучасні складові у виробництвах мікро- та наноелектроніки. Детально описано приклади застосування біоматеріалів в електронних пристроях для збирання та накопичення енергії (трибоелектричних і п'єзоелектричних наногенераторах, термоелектричних генераторах і сонячних елементах, батареях та акумуляторах, суперконденсаторах); сенсорах тиску, деформації, вологості; приладах бездротового зв'язку та радіочастотної ідентифікації. Приділено увагу застосуванню біоматеріалів у виробництві штучної електронної шкіри, біомедичних імплантів, у приладах і пристроях для моніторингу навколишнього середовища. Навчальний посібник призначений для здобувачів вищої освіти навчальних закладів, викладачів та інженерно-технічних працівників.

                                                                                             ВСТУП

      В останні роки зростає інтерес до розробки нових біорозкладних матеріалів, які здатні замінити матеріали, що виготовлені з вичерпних природних ресурсів — нафти, газу, вугілля. Полімери, які виготовлені з цих вичерпних копалин, потрібні сотні років для розкладання, що завдає непоправної шкоди навколишньому середовищу. За даними фахівців, на пластик припадає 85 відсотків усіх відходів світового океану, половину якого становлять одноразові пластикові вироби. У зв’язку з необхідністю доповнити глобальне виробництво пластику екологічно безпечними матеріалами, багато виробників звертаються до біологічних альтернатив. Матеріали на біологічній основі стосуються продуктів, які в основному складаються з речовин, отриманих із живої матерії (біомаси) і зустрічаються в природі або синтезуються, або це може стосуватися продуктів, виготовлених за допомогою процесів із використанням біомаси. Тому вчені та організації громадянського суспільства працюють разом над створенням нових моделей споживання, які б задовольняли потреби людей, одночасно усуваючи шкідливі відходи та надмірне виробництво споживчих товарів із вичерпних природних ресурсів. Використання біоматеріалів розглядається як альтернатива пластику і може бути життєздатним підходом до скорочення вирубки лісів, збільшення використання сільськогосподарських надлишків і розвитку біорозкладних продуктів, зокрема макро- і наноелектроніки. Швидкий технічний прогрес призвів до зниження терміну експлуатації побутової електроніки. Наприклад, мобільні телефони використовуються в середньому протягом 18 місяців, а комп’ютери – 3 роки, після чого потребують заміни на більш сучасні моделі. Тільки у США щодня відправляється на сміттєзвалище понад 426 000 мобільних телефонів і 112000 комп’ютерів. Тому впровадження приладів зеленої гнучкої електроніки, що здатні біологічно розкладатися, дозволить зменшити навантаження на довкілля і запобігти екологічній катастрофі. Для цього останнім часом все більшої популярності 4 набуває використання органічних матеріалів замість неорганічних аналогів, що дає змогу перейти, наприклад, від жорстких твердотільних сенсорів багаторазового використання, які потребують утилізації, до гнучких, одноразових сенсорів, що придатні до носіння людиною на тілі або одязі і до самочинного розкладання в природі після їх використання. До таких матеріалів біологічного походження належать різні види полісахаридів - целюлоза та її похідні, крохмаль, хітини, шовковий фіброїн, лігнін, колаген, шелак, які розглядаються як сучасні складові матеріалів для виготовлення електронних пристроїв та приладів. Застосування вказаних біоматеріалів в мікро- та наноелектроніці розглядаються в електронних пристроях для збирання та накопичення енергії (трибоелектричні і п'єзоелектричні наногенератори, термоелектричні генератори, сонячні елементи, батареї та акумулятори, суперконденсатори); сенсорах тиску, деформації, вологості; приладах бездротового зв'язку та радіочастотної ідентифікації. Основною метою навчального посібника є ознайомлення студентів, які навчаються за спеціальностей 161 «Хімічні технології та інженерія» і 176 «Мікро- та наносистемна техніка», а також широке коло науковців і працівників целюлозно-паперової, електронної та інших суміжних галузей промисловості зі станом та інноваційними технологіями використання біоматеріалів у процесах виготовлення електронних пристроїв та приладів для мікро- та наноелектроніки. Автори висловлюють вдячність рецензенту за висловлені слушні зауваження і пропозиції, а також будуть вдячні за всі рекомендації, які отримають від читачів навчального посібника.

                                  ЗМІСТ

Перелік умовних скорочень 

 Розділ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРІАЛІВ  БІОЛОГІЧНОГО ПОХОДЖЕННЯ 

 1.1 Полісахариди 

 1.1.1 Целюлоза та її похідні 

 1.1.2 Крохмаль 

 1.1.3 Хітин і хітозан 

 1.1.4 Альгінати

 1.2. Білки 

 1.2.1 Шовковий фіброїн 

 1.2.2 Колаген

 1.2.3 Желатин

 1.3. Інші натуральні матеріали біологічного  походження 

 1.3.1 Лігнін 

 1.3.2 Шелак 

 Контрольні запитання до розділу 1

 Розділ 2. ВИКОРИСТАННЯ БІОМАТЕРІАЛІВ У  ГНУЧКИХ ПРИЛАДАХ І ПРИСТРОЯХ 

 2.1. Збирачі енергії на основі біоматеріалів 

 2.1.1 Трибоелектричні наногенератори (ТЕNG)

 2.1.2 П'єзоелектричні наногенератори (PЕNG) 

 2.1.3 Термоелектричні генератори (TEG) 

 2.1.4 Сонячні елементи (СЕ)

 2.2 Пристрої накопичення енергії на основі  біоматеріалів 

 2.2.1 Суперконденсатори 

 2.2.2 Батареї та акумулятори 

 2.3 Сенсори на основі біоматеріалів 

 2.3.1 Сенсори тиску 

 2.3.2 Сенсори деформації

 2.3.3 Сенсори вологості 

 2.4 Пристрої бездротового зв'язку на основі  біоматеріалів 

 2.4.1 Пристрої радіочастотної ідентифікації 

 2.4.2 Прилади зв'язку ближнього поля

 Контрольні запитання до розділу 2

 Розділ 3. ЗАСТОСУВАННЯ МІКРО- ТА  НАНОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ І  ПРИСТРОЇВ НА ОСНОВІ БІОМАТЕРІАЛІВ 

 3.1 Біомедичні імпланти

 3.2. Штучна електронна шкіра 

 3.3 Моніторинг навколишнього середовища

 Контрольні запитання до розділу 3 

 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ