Obsesia noastră globală pentru aparatele electronice efemere de consum se produce rapid într-o problemă masivă la gunoi. Până la 50 de milioane de tone de smartphone-uri vechi, PC-uri, televizoare și alte dispozitive au fost aruncate anul trecut în favoarea următorului lucru nou.
Dar cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison au dezvoltat o modalitate surprinzătoare de a face mai ușor aruncarea viitorilor smartphone-uri și tablete asupra mediului și conștiinței. Înlocuiesc cea mai mare parte a materialelor toxice și non-biodegradabile din microprocesoarele moderne cu lemn.
Cercetarea a fost realizată în colaborare cu Departamentul de Agricultură pentru Produse Forestiere din SUA și este detaliată într-o lucrare publicată recent în Comunicări Natura .
Mai exact, metoda cercetătorilor înlocuiește baza rigidă sau materialul de substrat din cipurile de smartphone și tablete, adesea alcătuite din arsenidul de galiu compus conținând arsenic, cu nanofibril de celuloză (CNF). CNF este un material flexibil, transparent, realizat prin descompunerea pereților celulelor de lemn la scara nano și formarea acestuia în foi, la fel ca hârtia.
Tranzistoarele minuscule și alte componente de pe cipurile echipei sunt încă fabricate din metale și alte materiale potențial toxice. Dar cantitatea de materiale folosite este atât de mică încât cercetătorul principal și profesorul de inginerie electrică și informatică UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma spune că chipsurile pot fi consumate de ciupercă și devin „la fel de sigure ca îngrășământul.”
Desigur, CNF pe bază de lemn nu are aceleași caracteristici ca și materialele pe bază de petrol sau metale mai utilizate în mod obișnuit ca substraturi în chipsurile mobile. Ca orice material pe bază de lemn, CNF are tendința de a atrage umiditatea și de a se extinde și de a se contracta cu schimbările de temperatură - ambele probleme majore pentru microcipurile stricte ambalate, umiditate. Pentru a face materialul mai potrivit pentru a fi folosit în electronică, Zhiyong Cai de la Departamentul de Agricultură din SUA și Shaoqin „Sarah” Gong de la UW-Madison au lucrat împreună pentru a crea o acoperire epoxidică biodegradabilă, care împiedică materialul să atragă apa și să se extindă. De asemenea, materialul este mai neted, o proprietate importantă pentru un material folosit pentru a construi jetoane minuscule. Ma spune că cantitatea de epoxid folosită depinde de cât trebuie să dureze cipul. Folosirea mai puțin epoxidic înseamnă, de asemenea, că ciuperca poate descompune cipul mai rapid, dar Ma spune că ciuperca va face întotdeauna drum prin epoxid.
Ca și arsenidul de galiu, CNF trebuie să aibă și o pierdere de energie de frecvență radio mică, astfel încât semnalele wireless care sunt transmise și primite de cip nu vor fi degradate sau blocate. „Grupul nostru a făcut testarea pierderilor de energie la frecvența radio”, spune Ma, „și am găsit, oh mișto, totul arată bine.”
Odată ce cercetătorii au fost siguri că materialul a fost un substitut viabil, următorul pas a fost să descopăr cum să eliminați cât mai mult arsenidă de galiu dintr-un cip și să-l înlocuiți cu CNF. Pentru asta, Ma a împrumutat o tehnică de la o parte din cealaltă lucrare de proiectare a electronicelor flexibile.
„Atunci când facem electronice flexibile, eliminăm un strat foarte subțire de siliciu sau arsenidă de galiu, iar substratul [material de dedesubt] poate fi salvat”, spune Ma. „Deci, de ce nu facem același lucru și decojim un singur strat din substratul original și îl punem pe CNF, acest substrat pe bază de lemn.”
Arsenidul de galiu este folosit în telefoane ca substrat, mai degrabă decât în siliciul care este obișnuit în procesoarele de computer, deoarece are proprietăți mult mai bune pentru a transmite semnale pe distanțe lungi - cum ar fi turnurile de telefon mobil. Dar Ma spune că, în ciuda problemelor legate de mediu și de raritate cu arsenidul de galiu (este un material rar), nimeni nu a creat un tranzistor sau un circuit sub formă de film subțire din material, iar tehnicile existente foloseau mai mult de substanțe potențial toxice decât necesar.
Doar 10 tranzistoare sunt necesare pentru unele tipuri de cipuri, iar tehnica pe care au dezvoltat-o permite crearea a mult mai mult decât aceea într-o zonă de 4 milimetri cu 5 milimetri. „De fapt, putem construi mii de tranzistoare din această zonă și putem muta doar tranzistorii către substratul de lemn”, spune Ma. „Acest material CNF este surprinzător de bun și nimeni nu a încercat vreodată aplicații de înaltă frecvență cu acesta.”
Desigur, există și alte materiale potențial toxice în electronica portabilă, inclusiv în baterii, iar carcasele de sticlă, metal și plastic ale dispozitivelor constituie cea mai mare parte a deșeurilor electronice. Însă progresele în materie de materiale plastice ecologice și lucrările recente care folosesc fibrele de lemn pentru a crea baterii tridimensionale oferă speranță că, într-o bună zi, ne vom putea simți mai bine cu privire la înlocuirea dispozitivelor noastre de îmbătrânire.
Totuși, adevărata provocare va fi probabil ca instalațiile masive de fabricare a cipurilor, iar companiile care le utilizează sau le dețin, să se îndrepte către metode mai noi, mai ecologice, atunci când tehnicile actuale sunt atât de ieftine. Cu toate acestea, atunci când sunt reduse, costurile pentru crearea CNF din lemn regenerabil ar trebui să fie, de asemenea, ieftin, ajutând producătorii de dispozitive să treacă de la substraturi mai tradiționale. La urma urmei, lemnul este abundent și nu trebuie să fie extras din pământ ca galiul. Istoria de aproape două milenii a hârtiei pe bază de lemn ar trebui să contribuie, de asemenea, la menținerea costurilor scăzute de CNF. "Procesul de descompunere a lemnului este stabilit foarte bine", spune Ma.
Natura flexibilă a CNF o va face o potrivire bună pentru domeniul emergent al dispozitivelor electronice flexibile. Dar Ma avertizează că apariția unor dispozitive flexibile, purtabile și cu costuri reduse va crește substanțial cantitatea de deșeuri electronice în viitorul nu prea îndepărtat.
„Ne aflăm la orizontul sosirii electronice flexibile”, spune Ma. „Numărul de gadgeturi electronice flexibile va fi mult mai mult decât un singur telefon și o tabletă sau laptop. Probabil că vom avea zece PC-uri. ”
Ma speră că cantitatea de deșeuri potențiale electronice generate de toate aceste dispozitive, combinată cu cantitatea de materiale rare - arsenidă de galiu și altele - care pot fi economisite prin utilizarea materialelor pe bază de lemn în electronice va avea un sens atât financiar, cât și de mediu.
