A rövid távú fogyasztói elektronika globális megszállottsága gyorsan hatalmas globális szemétproblémát eredményez. Már tavaly 50 millió tonna régi okostelefonokat, PC-ket, TV-ket és egyéb eszközöket dobtak el a következő új dolog érdekében.
A Wisconsin-Madison Egyetem kutatói azonban meglepő módon fejlesztették ki a jövőbeli okostelefonok és táblagépek kidobását a környezet és a lelkiismeret szempontjából. Ezek a modern mikroprocesszorokban a legtöbb mérgező és nem biológiailag lebontható anyagot felváltják a fával.
A kutatást az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériumának Erdőtermékek Laboratóriumával együttműködésben végezték el, és egy nemrégiben megjelent cikkben részletezik a Nature Communications-ben .
Pontosabban, a kutatók módszere helyettesíti az okostelefonokban és a táblagépekben használt merev alap- vagy szubsztrátanyagot, amely gyakran az arzéntartalmú gallium-arzenid vegyületből áll, cellulóz-nanofibrill (CNF). A CNF egy rugalmas, átlátszó anyag, amelyet úgy gyártanak, hogy a fa cellafalait nano méretre bontják és lapokká alakítják, hasonlóan a papírhoz.
A csapat chipein lévő apró tranzisztorok és egyéb alkatrészek továbbra is fémekből és egyéb potenciálisan mérgező anyagokból készülnek. De ezeknek a felhasznált anyagoknak a mennyisége olyan kicsi, hogy a kutató és az UW-Madison elektromos és számítógépes mérnöki professzora, Zhenqiang "Jack" Ma szerint a forgácsot a gombák fogyaszthatják és "ugyanolyan biztonságosak lehetnek, mint a műtrágya".
A faalapú CNF természetesen nem azonos jellemzőkkel rendelkezik, mint a kőolaj vagy fém alapú anyagok, amelyeket általában a mobil forgácsok szubsztrátumaiként használnak. Mint minden fa alapú anyag, a CNF hajlamos arra, hogy vonzza a nedvességet, kiszélesedjön és hőmérséklet-változásokkal összehúzódjon - ez mind a fõ probléma a szorosan csomagolt, nedvesség-elkerülõ mikrochip esetében. Annak érdekében, hogy az anyag alkalmasabbá váljon az elektronikában való felhasználásra, az USA Mezőgazdasági Minisztériumának Zhiyong Cai és az UW-Madison Shaoqin "Sarah" Gong együtt dolgoztak egy biológiailag lebontható epoxi bevonat létrehozásában, amely megakadályozza az anyagot, hogy vonzza a vizet és kitáguljon. Ezenkívül simábbá teszi az anyagot, és fontos tulajdonsága az apró forgácsok készítéséhez használt anyagnak. Ma szerint a felhasznált epoxid mennyisége attól függ, hogy mennyi ideig kell a chipnek tartania. A kevesebb epoxi felhasználása azt is jelenti, hogy a gomba gyorsabban képes lebontani a forgácsot, de Ma szerint a gomba végül mindig eljut az epoxinon.
A gallium-arzenidhez hasonlóan a CNF-nek is alacsony rádiófrekvenciás energiaveszteséggel kell rendelkeznie, így a chip által továbbított és fogadott vezeték nélküli jelek nem romlanak vagy blokkolódnak. "A csoportunk elvégezte a rádiófrekvenciás energiavesztés tesztelését" - mondja Ma -, és azt találtuk, hogy ó, jó, minden jól néz ki. "
Miután a kutatók megbizonyosodtak arról, hogy az anyag életképes helyettesítõ anyag, a következõ lépés kitalálta, hogyan lehet minél több gallium-arzenidet eltávolítani egy forgácsból, és helyettesíteni azt CNF-fel. Ma ehhez kölcsön vett egy technikát a rugalmas elektronikát tervező más munkáiból.
„Ha rugalmas elektronikát készítünk, akkor egy nagyon vékony réteg szilícium- vagy gallium-arzenidot lehúzunk, és az aljzat [az alatta lévő anyag] megtakarítható” - mondja Ma. "Tehát miért nem csináljuk ugyanazt a dolgot, és levágjuk le az eredeti hordozó egyetlen rétegét, és rátesszük a CNF-re, ez a fa alapú hordozó."
A gallium-arzenidet a telefonokban szubsztrátumként használják, nem pedig a számítógépes processzorokban szokásos szilíciumként, mert sokkal jobb tulajdonságokkal rendelkezik a távoli jelek továbbítására - például a mobiltelefon-tornyokhoz. De Ma szerint a gallium-arzenid (ez egy ritka anyag) környezeti és szűkös problémáinak ellenére senki sem hozott létre vékonyréteg-típusú tranzisztorot vagy áramkört az anyagból, és a meglévő technikák inkább a potenciálisan mérgező anyagot használják, mint szükséges.
Alig 10 tranzisztorra van szükség bizonyos típusú chipekhez, és az általuk kifejlesztett technika sokkal többet tesz lehetővé 4-milliméter-öt milliméter méretű terület létrehozásához. "Valójában tranzisztorok ezreit építhetjük ki ebből a területből, és csak áthelyezhetjük ezeket a tranzisztorokat a fahordozóra" - mondja Ma. "Ez a CNF anyag meglepően jó, és senki sem próbálta vele a magas frekvenciájú alkalmazásokat."
A hordozható elektronikában, természetesen, vannak más potenciálisan mérgező anyagok is, beleértve az elemeket is, és az eszközök üveg-, fém- és műanyag héjai alkotják az e-hulladék nagy részét. De a környezetbarát műanyagok fejlődése és a faszálakat használó, háromdimenziós elemek előállítására nemrégiben elvégzett munka reményt kínál arra, hogy egy nap jobban érezzük magunkat az öregedő készülékeink cseréjében.
Az igazi kihívás azonban valószínűleg az lesz, hogy hatalmas forgácsgyártó üzemek és az őket alkalmazó vagy birtokló vállalkozások elmozdulnak újabb, környezetbarátabb módszerekre, ha a jelenlegi technikák olcsók. Ugyanakkor, ha méretezzük, a megújuló faból előállított CNF előállításának költségeinek is olcsónak kell lenniük, segítve a készülékek gyártóit abban, hogy a hagyományosabb aljzatokról váltsanak. Végül is a fa bőséges, és nem kell a talajból bányászni, mint a gallium. A faalapú papír közel két évezredes története szintén segíthet fenntartani a CNF előállításának költségeit. "A fa lebontási folyamata nagyon jól be van vezetve" - mondja Ma.
A CNF rugalmassága miatt jól illeszkedik a rugalmas elektronikus eszközök feltörekvő területéhez. Ma azonban figyelmezteti, hogy a rugalmas, hordható, olcsó eszközök megjelenése valószínűleg jelentősen növeli az e-hulladék mennyiségét a nem túl távoli jövőben is.
„A rugalmas elektronika megjelenésének láthatárában vagyunk” - mondja Ma. „A rugalmas elektronikus eszközök száma sokkal több, mint egy telefon és egy táblagép vagy laptop. Valószínűleg tíz számítógépünk lesz. ”
Azt reméli, hogy az összes ilyen eszköz által előidézett potenciális elektronikus hulladék mennyisége, valamint a ritka anyagok - gallium-arzenid és más anyagok - mennyisége, amely megtakarítható faanyagok elektronikában történő felhasználásával, végül pénzügyi és környezeti szempontból is értelmezhető lesz.
