Naša svetovna obsedenost z efemerno potrošniško elektroniko hitro privede do velikega globalnega problema s smeti. Lani je bilo zavrženih kar 50 milijonov metrskih ton naših starih pametnih telefonov, osebnih računalnikov, televizorjev in drugih naprav v korist naslednje stvari.
Toda raziskovalci z univerze Wisconsin-Madison so razvili presenetljiv način za lažje razmetavanje prihodnjih pametnih telefonov in tablic na okolje in vest. Nadomeščajo večino strupenih in nerazgradljivih materialov v sodobnih mikroprocesorjih z lesom.
Raziskava je bila izvedena v sodelovanju z ameriškim ministrstvom za laboratorij za kmetijske gozdne proizvode in je podrobno opisana v nedavno objavljenem članku v Nature Communications .
Natančneje, metoda raziskovalcev nadomešča togo podlago ali material substrata v čipih pametnih telefonov in tablic, ki so pogosto sestavljeni iz arzena, ki vsebuje galijev arzenid, s celulozo nanofibrilom (CNF). CNF je fleksibilen, pregleden material, narejen tako, da celične stene lesa poruši do nano lestvice in jih oblikuje v liste, podobno kot papir.
Drobni tranzistorji in druge komponente na čipih ekipe so še vedno narejene iz kovin in drugih potencialno strupenih materialov. Količina teh uporabljenih materialov je tako majhna, da vodilni raziskovalec in profesor za električno in računalniško tehniko UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma pravi, da čips lahko zaužijejo glive in postanejo "tako varen kot gnojilo."
Seveda CNF na lesu nima enakih lastnosti kot naftni ali kovinski materiali, ki se navadno uporabljajo kot podlage v mobilnih sekancih. Kot vsak material, ki temelji na lesu, tudi CNF ponavadi privlači vlago in se širi ter se krči s temperaturnimi spremembami - obe veliki težavi za tesno zapakirane mikročipe, odporne proti vlagi. Da bi bil material bolj primeren za uporabo v elektroniki, sta Zhiyong Cai iz ameriškega ministrstva za kmetijstvo in Shaoqin "Sarah" Gong v UW-Madison skupaj sodelovala pri ustvarjanju biorazgradljive epoksidne prevleke, ki preprečuje, da bi material privabljal vodo in se širil. Prav tako je material bolj gladek, pomembna lastnost materiala, ki se uporablja za izdelavo drobnih sekancev. Ma pravi, da je količina uporabljene epoksidne snovi odvisna od tega, koliko časa mora čip trajati. Uporaba manj epoksidov pomeni tudi, da lahko glivice hitreje razgradijo čip, vendar Ma pravi, da se bo gliva vedno sčasoma prebila skozi epoksi.
Tako kot arselid galija, mora tudi CNF izgubiti energijo z nizko radiofrekvenčno energijo, tako da brezžični signali, ki jih čip prejema in sprejema, ne bodo poslabšani ali blokirani. "Naša skupina je opravila testiranje izgube radijske frekvence, " pravi Ma, "in ugotovili smo, oh kul, vse je videti dobro."
Ko so bili raziskovalci prepričani, da je material izvedljiv nadomestek, je naslednji korak ugotovil, kako iz čipa odstraniti čim več galijevega arzenida in ga nadomestiti s CNF. Za to si je Ma izposodil tehniko iz nekaterih svojih drugih del, ki so oblikovali fleksibilno elektroniko.
"Ko delamo fleksibilno elektroniko, olupimo zelo tanko plast silicijevega ali galijevega arzenida, podlago [material pod njim] pa lahko shranimo, " pravi Ma. "Zakaj torej ne storimo isto in ne olupimo ene same plasti originalne podlage in jo nanesemo na CNF, to lesno podlago."
Galijev arsenid se v telefonih uporablja kot substrat, ne pa za silicij, ki je običajen v računalniških procesorjih, saj ima veliko boljše lastnosti za oddajanje signalov na velike razdalje - kot na stolpe mobilnih telefonov. Toda Ma pravi, da kljub vprašanju okolice in pomanjkanja arsenida galija (gre za redek material) nihče ni ustvaril tranzistorja tankega filma ali vezja iz materiala in obstoječe tehnike so uporabljale več potencialno strupene snovi kot potrebno.
Za nekatere vrste čipov je potrebnih le 10 tranzistorjev, tehnika, ki so jo razvili, pa omogoča, da se na območju velikosti 4 milimetra od 5 milimetrov ustvari še veliko več. "Pravzaprav lahko iz tega območja sestavimo na tisoče tranzistorjev in jih samo premikamo na lesno podlago, " pravi Ma. "Ta CNF material je presenetljivo dober in z njim še nihče ni preizkusil visokofrekvenčnih aplikacij."
Seveda obstajajo tudi drugi potencialno strupeni materiali v prenosni elektroniki, tudi v baterijah, in steklene, kovinske in plastične lupine naprav tvorijo največ e-odpadkov. Toda napredek na področju okolju prijazne plastike in nedavna dela z uporabo lesnih vlaken za ustvarjanje tridimenzionalnih baterij ponujajo upanje, da se bomo morda nekega dne počutili bolje pri zamenjavi starih naprav.
Resničen izziv pa bo verjetno pridobivanje množičnih obratov za izdelavo čipov in podjetja, ki jih zaposlujejo ali imajo v lasti, preiti na novejše, bolj prijazne metode, ko so trenutne tehnike tako poceni. Vendar pa bi morali biti stroški za ustvarjanje CNF iz obnovljivega lesa prav tako poceni, kar bi pomagalo izdelovalcem naprav, da preidejo iz bolj tradicionalnih podlag. Konec koncev je lesa v izobilju in ga ni treba izkopavati iz zemlje, kot galij. Skoraj dve tisočletja zgodovine lesa na papirju naj bi prav tako pomagala ohranjati nizke stroške izdelave CNF. "Proces razkosa lesa je vzpostavljen zelo dobro, " pravi Ma.
Zaradi prožne narave CNF se bo dobro prilegalo novemu področju prilagodljivih elektronskih naprav. Toda Ma opozarja, da bo pojav prožnih, nosljivih, poceni naprav tudi v ne preveč oddaljeni prihodnosti verjetno znatno povečal količino e-odpadkov.
"Smo na obzorju prihoda prilagodljive elektronike, " pravi Ma. »Število prilagodljivih elektronskih pripomočkov bo veliko več kot le en telefon in en tablični računalnik ali prenosnik. Verjetno bomo imeli deset osebnih računalnikov. "
Ma upa, da bo količina morebitnih e-odpadkov, ki jih ustvarijo vse te naprave, skupaj s količino redkih materialov - galijevega arzenida in drugih -, ki jih je mogoče rešiti z uporabo lesnih materialov v elektroniki, sčasoma imela tako finančni kot tudi okoljski pomen.
