Наша глобальная одержимость эфемерной бытовой электроникой быстро приводит к огромной глобальной проблеме мусора. До 50 миллионов метрических тонн наших старых смартфонов, компьютеров, телевизоров и других устройств были выброшены в прошлом году в пользу следующей новинки.
Но исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон разработали удивительный способ облегчить выбрасывание будущих смартфонов и планшетов на окружающую среду и совесть. Они заменяют основную массу токсичных и не биоразлагаемых материалов в современных микропроцессорах древесиной.
Исследование было проведено в сотрудничестве с Лабораторией лесных товаров Министерства сельского хозяйства США и подробно описано в недавно опубликованном документе. в природе связи .
В частности, метод исследователей заменяет твердую основу или материал подложки в чипах смартфонов и планшетов, часто состоящий из мышьяксодержащего соединения арсенид галлия, на нанофибриллу целлюлозы (CNF). CNF - это гибкий, прозрачный материал, изготовленный путем разрушения клеточных стенок дерева до наноразмеров и формирования его в виде листов, очень похожих на бумагу.
Крошечные транзисторы и другие компоненты на чипах команды по-прежнему сделаны из металлов и других потенциально токсичных материалов. Но количество используемых материалов настолько мало, что ведущий исследователь и профессор электротехники и вычислительной техники UW-Madison Чжэньцян «Джек» Ма говорит, что чипсы могут быть поглощены грибом и становятся «такими же безопасными, как удобрения».
Конечно, CNF на древесной основе не обладает такими же характеристиками, как материалы на нефтяной или металлической основе, которые обычно используются в качестве подложек в мобильных чипах. Как и любой древесный материал, CNF имеет тенденцию притягивать влагу, расширяться и сжиматься при изменениях температуры - обе основные проблемы для плотно упакованных, не пропускающих влагу микрочипов. Чтобы сделать материал более подходящим для использования в электронике, Чжиюн Цай из Министерства сельского хозяйства США и Шаоцинь «Сара» Гонг из UW-Madison работали вместе над созданием биоразлагаемого эпоксидного покрытия, которое предотвращает притяжение материала и его расширение. Это также делает материал более гладким, что является важным свойством для материала, используемого для изготовления крошечных чипсов. Ма говорит, что количество использованной эпоксидной смолы зависит от того, как долго должен храниться чип. Использование меньшего количества эпоксидной смолы также означает, что грибок может разрушить скол быстрее, но Ма говорит, что гриб всегда будет пробиваться сквозь эпоксидную смолу.
Как и арсенид галлия, CNF также должен иметь низкую радиочастотную потерю энергии, поэтому беспроводные сигналы, передаваемые и принимаемые чипом, не будут ухудшаться или блокироваться. «Наша группа провела тестирование потери радиочастотной энергии, - говорит Ма, - и мы обнаружили, о, круто, все выглядит хорошо».
Как только исследователи убедились, что материал является жизнеспособным заменителем, следующим шагом было выяснить, как удалить как можно больше арсенида галлия из чипа и заменить его на CNF. Для этого Ма позаимствовал технику из некоторых других своих работ по разработке гибкой электроники.
«Когда мы делаем гибкую электронику, мы снимаем очень тонкий слой арсенида кремния или галлия, и подложка (материал под ней) может быть сохранена», - говорит Ма. «Так почему бы нам просто не сделать то же самое, отслоить один слой оригинальной подложки и нанести его на CNF, эту подложку на основе дерева».
Арсенид галлия используется в телефонах в качестве подложки, а не кремния, обычного для компьютерных процессоров, потому что он обладает гораздо лучшими свойствами для передачи сигналов на большие расстояния - например, в вышки сотовых телефонов. Но Ма говорит, что, несмотря на проблемы с окружающей средой и дефицитом арсенида галлия (это редкий материал), никто не создал тонкопленочный транзистор или цепь из материала, и существующие методы использовали больше потенциально токсичного вещества, чем необходимо.
Для некоторых типов микросхем требуется всего 10 транзисторов, а разработанная ими технология позволяет создавать гораздо больше, чем в области 4 мм на 5 мм. «На самом деле мы можем построить тысячи транзисторов из этой области и просто перенести эти транзисторы на деревянную подложку», - говорит Ма. «Этот материал CNF на удивление хорош, и никто никогда не пробовал использовать его на высоких частотах».
Конечно, в портативной электронике есть и другие потенциально токсичные материалы, в том числе аккумуляторы, а стеклянные, металлические и пластиковые оболочки устройств составляют основную часть электронных отходов. Но достижения в области экологически чистых пластиков и недавняя работа с использованием древесных волокон для создания трехмерных батарей вселяют надежду, что когда-нибудь мы сможем почувствовать себя лучше при замене наших устаревших устройств.
Однако реальной проблемой, скорее всего, будет получение крупных заводов по производству чипов и компаний, которые используют или владеют ими, чтобы перейти к более новым, более экологичным методам, когда современные методы настолько дешевы. Однако при увеличении затрат затраты на создание CNF из возобновляемой древесины также должны быть недорогими, что поможет соблазнителям изготовителей перейти на более традиционные субстраты. В конце концов, дерево в изобилии, и его не нужно добывать с земли, как галлий. Почти двухтысячелетняя история бумаги на древесной основе также должна помочь снизить стоимость CNF. «Процесс разрушения древесины налажен очень хорошо», - говорит Ма.
Податливая природа CNF сделает его подходящим для появляющейся области гибких электронных устройств. Но Ма предупреждает, что появление гибких, носимых, недорогих устройств также, вероятно, значительно увеличит количество электронных отходов в не слишком отдаленном будущем.
«Мы на пороге появления гибкой электроники», - говорит Ма. «Количество гибких электронных гаджетов будет намного больше, чем один телефон и один планшет или ноутбук. У нас, вероятно, будет десять компьютеров ».
Ма надеется, что количество потенциальных электронных отходов, создаваемых всеми этими устройствами, в сочетании с количеством редких материалов - арсенида галлия и других, - которые можно сэкономить, используя древесные материалы в электронике, в конечном итоге будет иметь как финансовый, так и экологический смысл.
