Vår globale besettelse av flyktig forbrukerelektronikk resulterer raskt i et enormt globalt søppelproblem. Så mange som 50 millioner tonn med våre gamle smarttelefoner, PCer, TV-er og andre enheter ble kassert i fjor til fordel for den neste nye tingen.
Men forskere ved University of Wisconsin-Madison har utviklet en overraskende måte å gjøre det lettere å kaste fremtidige smarttelefoner og nettbrett på miljøet og samvittigheten. De erstatter mesteparten av giftige og ikke-nedbrytbare materialer i moderne mikroprosessorer med tre.
Forskningen ble gjort i samarbeid med US Department of Agriculture Forest Products Laboratory og er detaljert i en artikkel publisert nylig i Nature Communications .
Spesifikt erstatter forskernes metode den stive base- eller underlagsmaterialet i smarttelefon- og nettbrettbrikker, ofte bestående av det arsenholdige forbindelsen galliumarsenid, med cellulose nanofibril (CNF). CNF er et fleksibelt, gjennomsiktig materiale laget ved å bryte ned celleveggene i tre til nanoskalaen og forme det til ark, omtrent som papir.
De bittesmå transistorer og andre komponenter på teamets chips er fremdeles laget av metaller og andre potensielt giftige materialer. Men mengden av materialene som er brukt er så liten at ledende forsker og UW-Madison elektro- og dataingeniørprofessor Zhenqiang "Jack" Ma sier at flisene kan konsumeres av sopp og bli "like sikre som gjødsel."
Trebasert CNF har selvfølgelig ikke de samme egenskapene som petroleum eller metallbaserte materialer, mer typisk brukt som underlag i mobilflis. Som alle trebaserte materialer har CNF en tendens til å tiltrekke fuktighet og utvide seg og trekke seg sammen med temperaturendringer - begge store problemer for tettpakket, fuktighetsaverse mikrobrikker. For å gjøre materialet mer egnet for bruk i elektronikk, jobbet Zhiyong Cai ved det amerikanske jordbruksdepartementet og Shaoqin "Sarah" Gong ved UW-Madison sammen for å lage et biologisk nedbrytbart epoksybelegg, som holder materialet fra å tiltrekke vann og ekspandere. Det gjør også materialet glattere, en viktig egenskap for et materiale som brukes til å bygge bittesmå flis. Ma sier at mengden epoksy som brukes, avhenger av hvor lenge brikken trenger å vare. Å bruke mindre epoksy betyr også at sopp kan bryte ned brikken raskere, men Ma sier at sopp alltid til slutt vil komme seg gjennom epoksen.
I likhet med galliumarsenid, trenger CNF også å ha et lavt tap av radiofrekvensenergi, så trådløse signaler som overføres og mottas av brikken, vil ikke bli forringet eller blokkert. "Vår gruppe utførte testing av energitap for radiofrekvens, " sier Ma, "og vi fant ut, kult, alt ser bra ut."
Når forskerne var sikre på at materialet var en levedyktig erstatning, var det neste trinn å finne ut hvordan de kunne fjerne så mye galliumarsenid fra en chip som mulig og erstatte det med CNF. For det lånte Ma en teknikk fra noe av det andre arbeidet hans med å designe fleksibel elektronikk.
"Når vi driver med fleksibel elektronikk, skreller vi av et veldig tynt lag med silisium eller galliumarsenid, og underlaget [materialet under] kan lagres, " sier Ma. "Så hvorfor gjør vi ikke bare det samme og skreller av et enkelt lag av det originale underlaget og legger det på CNF, dette trebaserte underlaget."
Galliumarsenid brukes i telefoner som et underlag, i stedet for silisium som er vanlig i datamaskinprosessorer, fordi det har mye bedre egenskaper for overføring av signaler over lange avstander - som til mobiltelefontårn. Men Ma sier, til tross for miljø- og knapphetsproblemene med galliumarsenid (det er et sjeldent materiale), var det ingen som hadde laget en tynnfilm-type transistor eller krets ut av materialet, og de eksisterende teknikkene brukte mer av det potensielt giftige stoffet enn nødvendig.
Så lite som 10 transistorer er nødvendig for noen typer brikker, og teknikken de har utviklet gjør det mulig for mange mer enn det å bli opprettet i et område på 4 mm til 5 millimeter. "Egentlig kan vi bygge tusenvis av transistorer ut av dette området, og bare flytte transistorene til tresubstratet, " sier Ma. "Dette CNF-materialet er overraskende bra, og ingen har noen gang prøvd høyfrekvente applikasjoner med det."
Selvfølgelig er det andre potensielt giftige materialer i bærbar elektronikk, inkludert i batterier, og glass, metall og plastskall fra enhetene utgjør mesteparten av e-avfallet. Men fremskritt innen miljøvennlig plast og nyere arbeid ved bruk av trefibre for å lage tredimensjonale batterier gir håp om at vi en dag kan føle oss bedre med å erstatte aldringsenhetene våre.
Imidlertid vil den virkelige utfordringen sannsynligvis være å få massive fabrikkanlegg for brikkeproduksjon, og selskapene som bruker eller eier dem, til å skifte til nyere, mer miljøvennlige metoder når dagens teknikker er så rimelige. Når det imidlertid skaleres opp, bør kostnadene for å lage CNF fra fornybart treverk også være rimelig, noe som hjelper lokkemaskinprodusentene til å bytte fra mer tradisjonelle underlag. Tross alt er tre rikelig, og trenger ikke å bli utvunnet fra bakken som gallium. Den tre-tusenårs historien til trebasert papir skal også bidra til å holde kostnadene for å gjøre CNF lave. "Tresorteringsprosessen er veldig godt etablert, " sier Ma.
Den smidige naturen til CNF vil gjøre det en god passform for det nye feltet av fleksible elektroniske enheter. Men Ma advarer om at fremveksten av fleksible, bærbare og rimelige enheter også sannsynligvis vil øke mengden e-avfall i en ikke altfor fjern fremtid.
"Vi er i horisonten for ankomsten av fleksibel elektronikk, " sier Ma. "Antallet fleksible elektroniske dingser vil være mye mer enn bare en telefon og ett nettbrett eller bærbar PC. Vi kommer antagelig til å ha ti PC-er. ”
Ma håper mengden potensielt e-avfall som genereres av alle disse enhetene kombinert med mengden sjeldne materialer - galliumarsenid og andre - som kan spares ved å bruke trebaserte materialer i elektronikk, vil til slutt gi både økonomisk og miljømessig mening.
