Nasza globalna obsesja na punkcie efemerycznej elektroniki użytkowej jest szybka, co powoduje ogromny globalny problem śmieci. Aż 50 milionów ton naszych starych smartfonów, komputerów, telewizorów i innych urządzeń zostało odrzuconych w zeszłym roku na rzecz kolejnej nowej rzeczy.
Ale naukowcy z University of Wisconsin-Madison opracowali zaskakujący sposób, aby ułatwić wyrzucanie przyszłych smartfonów i tabletów na środowisko i sumienie. Zastępują one większość toksycznych i niebiodegradowalnych materiałów w nowoczesnych mikroprocesorach drewnem.
Badanie zostało przeprowadzone we współpracy z amerykańskim Departamentem Rolnictwa Produktów Leśnych i jest szczegółowo opisane w niedawno opublikowanym artykule w komunikacji przyrodniczej .
W szczególności metoda naukowców zastępuje sztywny materiał podłoża lub podłoża w chipach smartfonów i tabletów, często składający się ze związku arsenu zawierającego gal, arsenu galu, nanowłóknem celulozowym (CNF). CNF to elastyczny, przezroczysty materiał wykonany przez rozbicie ścian komórkowych drewna do skali nano i formowanie go w arkusze, podobnie jak papier.
Małe tranzystory i inne elementy układów scalonych zespołu są nadal wykonane z metali i innych potencjalnie toksycznych materiałów. Ale ilość użytych materiałów jest tak mała, że główny naukowiec i profesor elektrotechniki i informatyki UW-Madison, Zhenqiang „Jack” Ma, twierdzą, że chipy mogą zostać zjedzone przez grzyby i stać się „tak bezpieczne jak nawóz”.
Oczywiście, CNF na bazie drewna nie ma takich samych właściwości jak ropa naftowa lub materiały na bazie metalu, częściej stosowane jako podłoża w ruchomych wiórach. Jak każdy materiał drewnopochodny, CNF ma tendencję do przyciągania wilgoci oraz rozszerzania się i kurczenia wraz ze zmianami temperatury - oba główne problemy w przypadku ciasno upakowanych, odpornych na wilgoć mikroczipów. Aby materiał był bardziej odpowiedni do zastosowania w elektronice, Zhiyong Cai z Departamentu Rolnictwa USA i Shaoqin „Sarah” Gong z UW-Madison współpracowali, aby stworzyć biodegradowalną powłokę epoksydową, która zapobiega przyciąganiu wody i rozszerzaniu się. Sprawia również, że materiał jest gładszy, co jest ważną właściwością dla materiału używanego do budowy małych wiórów. Ma twierdzi, że ilość użytej żywicy epoksydowej zależy od tego, jak długo musi trwać układ. Zastosowanie mniejszej ilości żywicy epoksydowej oznacza również, że grzyb może szybciej rozbić układ, ale Ma twierdzi, że grzyb zawsze w końcu przedostanie się przez żywicę epoksydową.
Podobnie jak arsenek galu, CNF musi również wykazywać niską utratę energii o częstotliwości radiowej, aby sygnały bezprzewodowe przesyłane i odbierane przez układ nie uległy degradacji ani zablokowaniu. „Nasza grupa przeprowadziła testy utraty energii na częstotliwościach radiowych” - mówi Ma - „i okazało się, że to świetnie, wszystko wygląda dobrze”.
Gdy badacze byli pewni, że materiał jest realnym substytutem, następnym krokiem było ustalenie, jak usunąć jak najwięcej arsenu galu z chipa i zastąpić go CNF. W tym celu Ma pożyczył technikę od innych swoich prac, projektując elastyczną elektronikę.
„Tworząc elastyczną elektronikę, odrywamy bardzo cienką warstwę arsenu krzemu lub galu, a podłoże [materiał pod spodem] można zaoszczędzić”, mówi Ma. „Dlaczego więc nie zrobimy tego samego i odkleimy jedną warstwę oryginalnego podłoża i umieścimy na CNF, tym podłożu na bazie drewna”.
Arsenek galu jest stosowany w telefonach jako podłoże, a nie krzem, który jest powszechny w procesorach komputerowych, ponieważ ma znacznie lepsze właściwości do przesyłania sygnałów na duże odległości - na przykład do wież telefonii komórkowej. Ale Ma twierdzi, że pomimo problemów środowiskowych i niedoboru arsenu galu (jest to rzadki materiał), nikt nie stworzył z materiału tranzystora cienkowarstwowego ani obwodu, a istniejące techniki wykorzystywały więcej potencjalnie toksycznej substancji niż niezbędny.
Do niektórych typów układów potrzeba zaledwie 10 tranzystorów, a opracowana przez nich technika pozwala na stworzenie o wiele więcej niż w obszarze 4 milimetry na 5 milimetrów. „W rzeczywistości możemy zbudować tysiące tranzystorów z tego obszaru i po prostu przenieść te tranzystory na podłoże drewniane”, mówi Ma. „Ten materiał CNF jest zaskakująco dobry i nikt nigdy nie próbował z nim aplikacji o wysokiej częstotliwości.”
Oczywiście istnieją inne potencjalnie toksyczne materiały w przenośnej elektronice, w tym w bateriach, a szklane, metalowe i plastikowe obudowy urządzeń stanowią większość e-odpadów. Jednak postępy w zakresie ekologicznych tworzyw sztucznych i niedawne prace z wykorzystaniem włókien drzewnych do tworzenia trójwymiarowych akumulatorów dają nadzieję, że pewnego dnia możemy poczuć się lepiej, wymieniając nasze starzejące się urządzenia.
Prawdziwym wyzwaniem będzie jednak uzyskanie ogromnych zakładów do produkcji wiórów oraz firm, które je zatrudniają lub są właścicielami, aby przejść na nowsze, bardziej ekologiczne metody, gdy obecne techniki są tak tanie. Jednak po powiększeniu koszty wytworzenia CNF z odnawialnego drewna powinny być również niedrogie, pomagając zachęcić producentów urządzeń do przejścia z bardziej tradycyjnych podłoży. W końcu drewno jest obfite i nie musi być wydobywane z ziemi jak gal. Prawie dwustuletnia historia papieru na bazie drewna powinna również pomóc w utrzymaniu niskich kosztów obniżania CNF. „Proces rozkładania drewna jest ustalony bardzo dobrze”, mówi Ma.
Elastyczny charakter CNF sprawi, że będzie dobrze pasował do rozwijającej się dziedziny elastycznych urządzeń elektronicznych. Ma ostrzega jednak, że pojawienie się elastycznych, poręcznych i tanich urządzeń prawdopodobnie znacznie zwiększy ilość e-odpadów w niezbyt odległej przyszłości.
„Jesteśmy na horyzoncie od pojawienia się elastycznej elektroniki”, mówi Ma. „Liczba elastycznych gadżetów elektronicznych będzie znacznie większa niż tylko jeden telefon i jeden tablet lub laptop. Prawdopodobnie będziemy mieli dziesięć komputerów. ”
Ma nadzieję, że ilość potencjalnych e-odpadów generowanych przez wszystkie te urządzenia w połączeniu z ilością rzadkich materiałów - arsenu galu i innych - które można zaoszczędzić dzięki zastosowaniu materiałów drewnopochodnych w elektronice, w końcu będzie miało sens zarówno finansowy, jak i środowiskowy.
