Наша глобална опсесија ефемерном потрошачком електроником брзо резултира великим проблемом смећа на свијету. Чак 50 милиона метричких тона наших старих паметних телефона, рачунара, телевизора и других уређаја одбачено је прошле године у корист следеће нове ствари.
Али, истраживачи са Универзитета Висцонсин-Мадисон развили су изненађујући начин да олакшају избацивање будућих паметних телефона и таблета на окружење и савест. Они замењују већину токсичних и не-биоразградивих материјала у савременим микропроцесорима дрвима.
Истраживање је урађено у сарадњи с америчким Министарством пољопривредне лабораторије за шумске производе и детаљно је објављено у недавно објављеном раду у Натуре Цоммуницатионс .
Конкретно, метода истраживача замјењује чврсту базу или материјал супстрата у чиповима за паметне телефоне и таблете, који се често састоје од једињења галијум-арсенида који садржи арсен, целулозном нанофибрилом (ЦНФ). ЦНФ је флексибилан, транспарентан материјал који се прави разбијањем ћелијских зидова дрвета до нано-скале и формирањем у листове, слично папиру.
Ситни транзистори и друге компоненте на чиповима тима и даље су направљени од метала и других потенцијално токсичних материјала. Али количина употребљеног материјала је толико мала да водећи истраживач и професор електротехнике и рачунарске технике УВ-Мадисон Зхенкианг "Јацк" Ма каже да чипс може да се поједе од гљива и постане "сигуран као ђубриво".
Наравно, ЦНФ на дрву нема исте карактеристике као и материјали на бази нафте или метала који се обично користе као подлоге у покретним чиповима. Као и било који материјал на бази дрвета, и ЦНФ има тенденцију да привлачи влагу и шири се и уговара са температурним променама - оба главна проблема за чврсто упаковане микрочипове отпорне на влагу. Да би материјал био прикладнији за употребу у електроници, Зхиионг Цаи из америчког Министарства пољопривреде и Схаокин "Сарах" Гонг из УВ-Мадисон-а заједно су радили на стварању епоксидног премаза који се може разградити на биоразградњи, који спречава привлачење воде и ширење материјала. Такође материјал чини глатким, важним својством материјала који се користи за израду ситних иверица. Ма каже да количина кориштене епоксидне супстанце зависи од тога колико дуго чип треба да траје. Употреба мање епоксидне киселине такође значи да гљива може брже разградити чип, али Ма каже да ће гљива увек успети да се пробије кроз епокси.
Као и галијум-арсенид, ЦНФ такође мора да има мали губитак енергије радио фреквенције, тако да бежични сигнали које чип преноси и примају неће бити деградирани или блокирани. „Наша група је урадила тестирање губитка радиофреквенцијске енергије“, каже Ма, „и открили смо, ох, супер, све изгледа добро.“
Једном када су истраживачи били сигурни да је материјал одржива замена, следећи корак је био откривање како уклонити што је могуће више арсенида галијума из чипа и заменити га ЦНФ-ом. За то је Ма позајмио технику из неких својих других радова дизајнирања флексибилне електронике.
"Када радимо флексибилну електронику, ољуштимо веома танки слој арсенида силицијума или галијума, а супстрат [материјал испод] се може сачувати", каже Ма. „Па зашто једноставно не урадимо исту ствар и ољуштимо један слој оригиналне подлоге и ставимо је на ЦНФ, ову подлогу на бази дрвета.“
Галијум арсенид користи се у телефонима као супстрат, а не као силицијум који је уобичајен у рачунарским процесорима, јер има много боља својства за пренос сигнала на велике удаљености - попут кула за мобилне телефоне. Али Ма каже да, упркос проблемима са околином и оскудицом арсенијем галијума (то је ретка материја), нико није створио транзистор танког филма или спој из материјала, а постојеће технике су користиле више потенцијално отровне супстанце него неопходно.
За неке врсте чипова потребно је само 10 транзистора, а техника коју су развили омогућава да се створи много више од тога у подручју од 4 до 5 милиметара. "Заправо, можемо направити хиљаде транзистора из тог подручја и само их преместити на дрвену подлогу", каже Ма. „Овај ЦНФ материјал је изненађујуће добар и нико никада није испробао високофреквентне апликације са њим.“
Наравно, постоје и други потенцијално токсични материјали у преносивој електроници, укључујући батерије, а стаклене, металне и пластичне шкољке уређаја чине највећи део е-отпада. Али напредак у еколошкој пластици и недавни рад на коришћењу дрвених влакана за стварање тродимензионалних батерија нуде наду да ћемо се једног дана можда осећати боље у замјени уређаја за старење.
Прави изазов ће, међутим, бити вероватно постављање масивних постројења за производњу чипова, а компаније које их запошљавају или поседују, прелазе на нове, еколошки прихватљивије методе када су тренутне технике толико јефтине. Када се то заједно повећа, трошкови за стварање ЦНФ-а од обновљивог дрвета такође би требали бити скупи, што би помогло произвођачима уређаја да пређу са традиционалнијих подлога. На крају крајева, дрвета је у изобиљу и не треба га вадити из земље попут галијума. Скоро два миленијумска историја папира на бази дрвета такође би требало да помогне у одржавању ниских трошкова израде ЦНФ-а. "Процес распада дрвета је успостављен веома добро", каже Ма.
Флексибилна природа ЦНФ-а ће га добро уклопити у ново поље флексибилних електронских уређаја. Али Ма упозорава да ће и појава флексибилних, носивих, јефтиних уређаја вероватно значајно повећати количину е-отпада у не тако далекој будућности.
„На хоризонту смо доласка флексибилне електронике“, каже Ма. „Број флексибилних електронских направа биће много већи од само једног телефона и једног таблета или лаптопа. Вероватно ћемо имати десет рачунара. “
Ма се нада да ће количина потенцијалног е-отпада који стварају сви ови уређаји у комбинацији са количином ретких материјала - галијум-арсенида и других - која се може уштедјети коришћењем материјала на бази дрвета у електроници, на крају ће имати и финансијски и еколошки смисао.
