Vědci demonstrují plně recyklovatelnou tištěnou elektroniku

Vědci demonstrují plně recyklovatelnou tištěnou elektroniku

„Počítačové komponenty na bázi křemíku pravděpodobně nikdy nezmizí a neočekáváme, že snadno recyklovatelná elektronika, jako je ta naše, nahradí technologii a zařízení, která jsou již široce používána,“ řekl Aaron Franklin, profesor elektrotechniky a výpočetní techniky na Duke . „Ale doufáme, že vytvořením nové, plně recyklovatelné, snadno tištěné elektroniky a ukázáním toho, co dokážou, by se mohly v budoucích aplikacích široce používat.“

Vzhledem k tomu, že lidé na celém světě přijali do svých životů více elektroniky, neustále narůstá hromada vyřazených zařízení, která již nefungují nebo byla odhozena ve prospěch novějšího modelu. Podle odhadu Organizace spojených národů se recykluje méně než čtvrtina milionů liber elektroniky vyhozených každý rok. A problém se bude jen zhoršovat, protože svět upgraduje na 5G zařízení.

Část problému spočívá v tom, že je obtížné recyklovat elektronická zařízení. Velké závody zaměstnávají stovky pracovníků, kteří rozebírají objemná zařízení. Ale zatímco zbytky mědi, hliníku a oceli lze recyklovat, křemíkové třísky v srdci zařízení nelze.

V nové studii Franklin a jeho laboratoř demonstrovali zcela recyklovatelný, plně funkční tranzistor vyrobený ze tří inkoustů na bázi uhlíku, které lze snadno tisknout na papír nebo jiné pružné povrchy šetrné k životnímu prostředí. U polovodičů a vodičů se používají uhlíkové nanotrubice a grafenové inkousty. I když tyto materiály nejsou ve světě tištěné elektroniky nové, říká Franklin, cesta k recyklovatelnosti byla otevřena vývojem izolačního dielektrického inkoustu odvozeného od dřeva zvaného nanocelulóza.

„Nanocelulóza je biologicky odbouratelná a již roky se používá v aplikacích, jako je balení,“ řekl Franklin. „A zatímco lidé již dlouho věděli o jeho potenciálních aplikacích jako izolantu v elektronice, nikdo dosud nepřišel na to, jak jej použít v tisknutelném inkoustu. To je jeden z klíčů k tomu, aby tato plně recyklovatelná zařízení fungovala.“

Vědci vyvinuli metodu pro suspendování krystalů nanocelulózy, které byly extrahovány z dřevěných vláken. Spolu pak s trochou kuchyňské soli vytvoří inkoust, který v tištěných tranzistorech funguje obdivuhodně jako izolátor. Použitím tří inkoustů v aerosolové tryskové tiskárně a při pokojové teplotě, tým ukázal, že jejich celokarbonové tranzistory fungují dostatečně dobře pro použití v nejrůznějších aplikacích a to i šest měsíců po počátečním tisku.

Tým poté předvede, jak recyklovatelný je jejich design. Ponořením svých zařízení do řady lázní, jemným vibracím zvukovými vlnami a odstředěním výsledného roztoku se postupně získávají uhlíkové nanotrubičky a grafen s průměrným výtěžkem téměř 100%. Oba materiály pak mohou být znovu použity ve stejném procesu tisku, přičemž ztrácejí jen velmi málo ze své životaschopnosti. A protože je nanocelulóza vyrobena ze dřeva, lze ji jednoduše recyklovat spolu s papírem, na který byla vytištěna.

Ve srovnání s rezistorem nebo kondenzátorem je tranzistor relativně složitá počítačová součást používaná v zařízeních, jako je řízení výkonu nebo logické obvody a různé senzory. Franklin vysvětluje, že tím, že nejprve předvede plně recyklovatelný multifunkční tištěný tranzistor, doufá, že udělá první krok směrem ke komerčně prosazované technologii pro jednoduchá zařízení. Například Franklin říká, že si dokáže představit technologii používanou ve velké budově, která potřebuje tisíce jednoduchých environmentálních senzorů pro monitorování její spotřeby energie nebo přizpůsobené biosenzorové náplasti pro sledování zdravotních stavů.

„Recyklovatelná elektronika, jako je tato, v žádném případě nevystoupí a nenahradí celý průmysl za půl bilionu dolarů, a rozhodně nejsme zdaleka tak blízko k tisku recyklovatelných počítačových procesorů,“ řekl Franklin. „Ale demonstrace těchto typů nových materiálů a jejich funkčnosti je snad odrazovým můstkem správným směrem pro nový životní cyklus elektroniky.“

 

Obrázek: Vědci testují biosenzor vyrobený z plně recyklovatelné tištěné elektroniky. Proces recyklace obnovuje téměř 100% použitých materiálů a materiály ztrácejí jen velmi málo ze svých výkonnostních schopností.

 

 

Researchers demonstrate fully recyclable printed electronics