Naše globální posedlost pomíjivou spotřební elektronikou rychle vede k masivnímu celosvětovému problému s odpadky. V loňském roce bylo zlikvidováno až 50 milionů tun našich starých chytrých telefonů, počítačů, televizorů a dalších zařízení ve prospěch další nové věci.
Vědci z University of Wisconsin-Madison však vyvinuli překvapivý způsob, jak usnadnit vyhazování budoucích chytrých telefonů a tabletů na životní prostředí a svědomí. Nahrazují většinu toxických a biologicky nerozložitelných materiálů v moderních mikroprocesorech dřevem.
Výzkum byl proveden ve spolupráci s Ministerstvem zemědělství lesních produktů USA a je podrobně popsán v nedávno publikovaném příspěvku in Nature Communications .
Konkrétně metoda vědců nahrazuje tuhý základ nebo materiál substrátu v čipech pro smartphony a tablety, často složený ze sloučeniny obsahující arzen, gallium arsenid, s celulózovým nanofibrilem (CNF). CNF je flexibilní, průhledný materiál vyrobený rozbíjením buněčných stěn dřeva na nano měřítko a jejich formováním do listů, podobně jako papír.
Drobné tranzistory a další součásti čipů týmu jsou stále vyrobeny z kovů a jiných potenciálně toxických materiálů. Množství těchto použitých materiálů je však tak malé, že vedoucí výzkumník a profesor elektrotechniky a výpočetní techniky UW-Madison Zhenqiang „Jack“ Ma říká, že čipy mohou být houbou spotřebovány a stát se „stejně bezpečnými jako hnojivo“.
CNF na bázi dřeva samozřejmě nemá stejné vlastnosti jako ropa nebo materiály na bázi kovů, které se běžně používají jako substráty v mobilních čipech. Jako každý materiál na bázi dřeva má CNF tendenci přitahovat vlhkost a expandovat a stahovat se s teplotními změnami - oba hlavní problémy pro pevně zabalené mikročipy s averzí k vlhkosti. Aby byl materiál vhodnější pro použití v elektronice, spolupracovali Zhiyong Cai na ministerstvu zemědělství USA a Shaoqin "Sarah" Gong v UW-Madison společně na vytvoření biologicky rozložitelného epoxidového povlaku, který zabraňuje přilákání vody a rozšiřování. Díky tomu je materiál také plynulejší, což je důležitá vlastnost pro materiál používaný k výrobě malých kousků. Ma říká, že použité množství epoxidu závisí na tom, jak dlouho musí čip vydržet. Použití menšího množství epoxidů také znamená, že houba může štěpku štěpit rychleji, ale Ma říká, že houba se nakonec nakonec dostane skrz epoxy.
Stejně jako arzenid gallia, i CNF musí mít nízkofrekvenční ztrátu energie, takže bezdrátové signály přenášené a přijímané čipem nebudou degradovány nebo blokovány. "Naše skupina provedla testování ztráty vysokofrekvenční energie, " říká Ma, "a zjistili jsme, že je v pohodě, všechno vypadá dobře."
Jakmile si vědci byli jisti, že materiál je životaschopnou náhradou, dalším krokem bylo zjistit, jak odstranit co nejvíce arsenidu gallia z čipu a nahradit ho CNF. Za to si Ma vypůjčil techniku od některé ze svých dalších prací navrhujících flexibilní elektroniku.
"Když děláme flexibilní elektroniku, odlupujeme velmi tenkou vrstvu křemíku nebo arsenidu gallia a substrát [materiál pod] může být uložen, " říká Ma. "Tak proč neuděláme totéž a odlupujeme jednu vrstvu původního substrátu a dáme to na CNF, tento substrát na bázi dřeva."
Gallium arsenid se používá v telefonech spíše jako substrát než křemík, který je běžný u počítačových procesorů, protože má mnohem lepší vlastnosti pro přenos signálů na velké vzdálenosti - například do věží mobilních telefonů. Ale Ma říká, že navzdory problémům životního prostředí a nedostatku arzenidu gallia (je to vzácný materiál), nikdo z tohoto materiálu nevytvořil tranzistor nebo obvod typu tenkého filmu a stávající techniky používaly více potenciálně toxické látky než nutné.
Pro některé typy čipů je zapotřebí jen 10 tranzistorů a technika, kterou vyvinuli, umožňuje vytvořit mnohem více než jen v oblasti 4 milimetrů po 5 milimetrů. "Ve skutečnosti můžeme z této oblasti postavit tisíce tranzistorů a tyto tranzistory prostě přesunout na dřevěný substrát, " říká Ma. "Tento materiál CNF je překvapivě dobrý a nikdo s ním nikdy nezkoušel vysokofrekvenční aplikace."
Samozřejmě existují v přenosné elektronice další potenciálně toxické materiály, včetně baterií, a skleněné, kovové a plastové pláště zařízení tvoří většinu elektronického odpadu. Pokroky v oblasti ekologických plastů a nedávná práce s využitím dřevěných vláken k vytvoření trojrozměrných baterií však nabízejí naději, že se jednoho dne budeme cítit lépe při výměně našich stárnoucích zařízení.
Skutečnou výzvou však bude pravděpodobně získání masivních závodů na výrobu čipů a společností, které je používají nebo vlastní, přejít na novější, ekologičtější metody, pokud jsou současné techniky tak levné. Když se však měřítko zvýší, náklady na výrobu CNF z obnovitelného dřeva by měly být také levné, což výrobcům zařízení láká k přechodu od tradičních substrátů. Koneckonců, dřevo je hojné a nemusí být těženo ze země jako gallium. Téměř dvě tisíciletí historie papíru na bázi dřeva by také měla pomoci udržet nízké náklady na výrobu CNF. "Proces rozkladu dřeva je zaveden velmi dobře, " říká Ma.
Pružná povaha CNF z něj udělá dobrý předpoklad pro vznikající oblast flexibilních elektronických zařízení. Ma však varuje, že vznik flexibilních, nositelných a levných zařízení bude pravděpodobně také výrazně zvyšovat množství elektronického odpadu v nepříliš vzdálené budoucnosti.
"Jsme na obzoru příchodu flexibilní elektroniky, " říká Ma. „Počet flexibilních elektronických pomůcek bude mnohem více než jen jeden telefon a jeden tablet nebo notebook. Pravděpodobně budeme mít deset počítačů. “
Ma doufá, že množství potenciálního elektronického odpadu generovaného všemi těmito zařízeními v kombinaci s množstvím vzácných materiálů - arzenidu gallia a dalších -, které lze ušetřit použitím materiálů na bázi dřeva v elektronice, bude mít nakonec finanční i environmentální smysl.
