Inženjeri na Univerzitetu Duke proizveli su prvu štampanu elektroniku na svetu koja se može u potpunosti reciklirati i koja zamenjuje upotrebu hemikalija vodom u procesu proizvodnje. Zaobilazeći potrebu za opasnim hemikalijama, demonstracija ukazuje na put kojim bi industrija mogla da ide kako bi smanjila svoj uticaj na životnu sredinu i rizike po zdravlje ljudi.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nano Letters.
Jedan od dominantnih izazova sa kojima se suočava svaki proizvođač elektronike je uspešno postavljanje nekoliko slojeva komponenti jedna na drugu, što je ključno za pravljenje složenih uređaja. Spajanje ovih slojeva može biti frustrirajući proces, posebno za štampanu elektroniku.
„Ako pravite sendvič sa puterom od kikirikija i želeom, jedan sloj na obe kriške hleba je lak“, objasnio je Aron Frenklin, Addi profesor elektrotehnike i računarstva u Dukeu, koji je vodio studiju. „Ali ako prvo stavite žele, a zatim pokušate da namažete puter od kikirikija na njega, zaboravite, žele neće ostati na mestu i pomešaće se sa puterom od kikirikija. Stavljanje slojeva jedan na drugi nije tako lako kao da ih sami spustite — ali to je ono što morate da uradite ako želite da pravite elektronske uređaje sa štampanjem.“
U prethodnom radu, Franklin i njegova grupa demonstrirali su prvu štampanu elektroniku koja se može u potpunosti reciklirati. Uređaji su koristili tri mastila na bazi ugljenika: poluprovodne ugljenične nanocevi, provodni grafen i izolacionu nanocelulozu. U pokušaju da se originalni proces prilagodi tako da koristi samo vodu, ugljenične nanocevi su predstavljale najveći izazov.
Da bi se napravilo mastilo na bazi vode u kojem se ugljenične nanocevi ne spajaju i ravnomerno se šire po površini, dodaje se surfaktant sličan deterdžentu. Dobijeno mastilo, međutim, ne stvara sloj ugljeničnih nanocevi dovoljno gust da bi mogla da putuje velika struja elektrona.
„Želite da ugljenične nanocevi izgledaju kao al dente špageti razbacani po ravnoj površini“, rekao je Frenklin. „Ali sa mastilom na bazi vode, više izgledaju kao da su uzete jedan po jedan i bačene na zid da se proveri da li je gotovo. Ako bismo koristili hemikalije, mogli bismo jednostavno da štampamo više prolaza iznova i iznova dok ne dođemo do bilo dovoljno nanocevi. Ali voda ne funkcioniše na taj način. Mogli bismo to da uradimo 100 puta i i dalje bi bila ista gustina kao i prvi put.“ Inkjet štampač postavlja slojeve elektronskih mastila na bazi ugljenika kako bi stvorio tranzistore koji se mogu u potpunosti reciklirati koristeći samo vodu, umesto da zahtevaju oštre, toksične hemikalije. Zasluge: Jason Arthurs Photographi
To je zato što surfaktant koji se koristi da zadrži ugljenične nanocevi od zgrušavanja takođe sprečava da se dodatni slojevi prianjaju za prvi. U tradicionalnom proizvodnom procesu, ovi surfaktanti bi se uklonili korišćenjem ili veoma visokih temperatura, što zahteva mnogo energije, ili jakih hemikalija, koje mogu predstavljati rizik po zdravlje ljudi i životne sredine. Frenklin i njegova grupa su želeli da izbegnu oboje.
U radu, Frenklin i njegova grupa razvijaju ciklični proces u kome se uređaj ispere vodom, suši na relativno niskoj temperaturi i ponovo štampa. Kada se smanji i količina surfaktanta koji se koristi u mastilu, istraživači pokazuju da njihova mastila i procesi mogu stvoriti potpuno funkcionalne tranzistore na bazi vode, koji se mogu u potpunosti reciklirati.
U poređenju sa otpornikom ili kondenzatorom, tranzistor je relativno složena računarska komponenta koja se koristi u uređajima kao što su kontrola snage ili logička kola i senzori. Frenklin objašnjava da se prvo demonstriranjem tranzistora nada da će signalizirati ostatku polja da postoji održiv put ka tome da neki procesi proizvodnje elektronike budu mnogo ekološki prihvatljiviji.
Franklin je već dokazao da se skoro 100% ugljeničnih nanocevi i grafena koji se koriste u štampanju može povratiti i ponovo upotrebiti u istom procesu, gubeći vrlo malo supstanci ili njihovu održivost. Pošto je nanoceluloza napravljena od drveta, može se jednostavno reciklirati ili biorazgraditi poput papira. I dok proces koristi mnogo vode, to nije ni približno onoliko koliko je potrebno da se nosi sa toksičnim hemikalijama koje se koriste u tradicionalnim metodama proizvodnje.
Prema procenama Ujedinjenih nacija, manje od četvrtine miliona funti elektronike koja se baci svake godine se reciklira. A problem će se samo pogoršavati kako se svet na kraju nadogradi na 6G uređaje, a Internet stvari (IoT) nastavlja da se širi. Stoga je važno pratiti svaki trag koji bi mogao da se napravi u ovoj rastućoj planini elektronskog smeća.
Iako mora da se uradi još posla, Frenklin kaže da bi se pristup mogao koristiti u proizvodnji drugih elektronskih komponenti kao što su ekrani i displeji koji su sada sveprisutni u društvu. Svaki elektronski displej ima pozadinu od tankoslojnih tranzistora sličnih onome što je prikazano u radu. Trenutna tehnologija proizvodnje je visokoenergetska i oslanja se na opasne hemikalije, kao i na toksične gasove. Američka agencija za zaštitu životne sredine prijavila je čitavu industriju za hitnu pažnju.
„Performanse naših tankoslojnih tranzistora se ne poklapaju sa najboljim koji se trenutno proizvode, ali su dovoljno konkurentni da pokažu istraživačkoj zajednici da svi treba da radimo više kako bismo ovi procesi učinili ekološki prihvatljivijim“, rekao je Frenklin.
