Naša globalna opsesija efemernom potrošačkom elektronikom brzo rezultira velikim masovnim problemom smeća. Čak 50 milijuna metričkih tona naših starih pametnih telefona, računala, televizora i drugih uređaja odbačeno je prošle godine u korist sljedeće nove stvari.
No, istraživači sa Sveučilišta Wisconsin-Madison razvili su iznenađujući način kako olakšati izbacivanje budućih pametnih telefona i tableta na okoliš i savjest. Oni zamjenjuju većinu toksičnih i nerazgradivih materijala u modernim mikroprocesorima drvima.
Istraživanje je provedeno u suradnji s Američkim laboratorijem za poljoprivredne proizvode, a detaljno je objavljeno u nedavno objavljenom radu u Nature Communications .
Naime, metoda istraživača zamjenjuje krutu bazu ili supstrat u čipovima za pametne telefone i tablete, koji se često sastoje od spoja galijevog arsenida koji sadrži arsen, celuloznom nanofibrilom (CNF). CNF je fleksibilan, transparentan materijal koji se izrađuje razbijanjem staničnih zidova drveta do nano-mjerila i oblikovanjem u listove, slično papiru.
Sitni tranzistori i ostale komponente na čipovima tima još uvijek su izrađeni od metala i drugih potencijalno toksičnih materijala. Ali količina tih upotrijebljenih materijala toliko je mala da vodeći istraživač i profesor elektrotehnike i računalnog inženjerstva UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma kaže da čips može biti potrošen od gljiva i postati "siguran kao gnojivo".
Naravno, HNK na drva nema iste karakteristike kao i materijali na bazi nafte ili metala koji se obično koriste kao podloge u pokretnim čipovima. Kao i bilo koji materijal na bazi drva, i CNF ima tendenciju privlačenja vlage i širenja i ugovaranja s promjenama temperature - oba glavna problema za čvrsto pakirane mikročipove otporne na vlagu. Kako bi materijal bio prikladniji za uporabu u elektronici, Zhiyong Cai iz američkog Ministarstva poljoprivrede i Shaoqin "Sarah" Gong u UW-Madison zajedno su radili na stvaranju biorazgradivog epoksidnog premaza koji sprečava privlačenje vode i širenje materijala. Također čini materijal glatkim, važnim svojstvom za materijal koji se koristi za izradu sitnih strugotina. Ma kaže da količina korištene epoksi tvari ovisi o tome koliko dugo čip treba da traje. Korištenje manje epoksida također znači da gljiva može brže razgraditi čip, ali Ma kaže kako će gljiva uvijek s vremenom probiti svoj put kroz epoksi.
Kao i galijev arsenid, tako i CNF mora imati mali gubitak radiofrekvencijske energije, tako da bežični signali koje čip prenosi i primaju neće biti degradirani ili blokirani. „Naša grupa je napravila testiranje gubitka radiofrekvencijske energije“, kaže Ma, „i otkrili smo, oh cool, sve izgleda dobro.“
Jednom kada su istraživači bili sigurni da je materijal održiva zamjena, sljedeći je korak bio smišljanje načina uklanjanja što više arselija galija iz čipa i zamjene ga s CNF-om. Za to je Ma posudio tehniku iz nekih svojih drugih djela dizajniranja fleksibilne elektronike.
"Kada radimo fleksibilnu elektroniku, ogulimo veoma tanki sloj arsenida silicija ili galija, a supstrat [materijal ispod] može se spasiti", kaže Ma. "Pa zašto jednostavno ne učinimo isto i ne oljuštimo jedan sloj izvorne podloge i stavimo ga na CNF, ovu podlogu od drveta."
Galijev arsenid koristi se u telefonima kao supstrat, a ne kao silicij koji je uobičajen u računalnim procesorima, jer ima puno bolja svojstva za prijenos signala na velike udaljenosti - poput tornjeva mobitela. Ali Ma kaže da, unatoč problemima okoline i oskudice s galijevim arsenidom (to je rijedak materijal), nitko nije stvorio tankoslojni tranzistor ili spoj iz materijala, a postojeće tehnike su koristile više potencijalno otrovne tvari nego potrebno.
Za neke vrste čipova potrebno je samo 10 tranzistora, a tehnika koju su razvili omogućava stvaranje mnogo više od toga u području veličine 4 milimetra od 5 milimetara. "Zapravo možemo napraviti tisuće tranzistora iz tog područja i samo ih premjestiti na drvenu podlogu", kaže Ma. „Ovaj CNF materijal iznenađujuće je dobar i nitko s njim nikada nije isprobao visokofrekventne aplikacije.“
Naravno, postoje i drugi potencijalno toksični materijali u prenosivoj elektronici, uključujući baterije, a staklene, metalne i plastične školjke uređaja čine najveći dio e-otpada. Ali napredak u ekološkoj plastici i nedavni rad na korištenju drvenih vlakana za stvaranje trodimenzionalnih baterija nude nadu da ćemo se jednog dana možda osjećati bolje u zamjeni uređaja za starenje.
Međutim, pravi će izazov biti masivno postrojenje za proizvodnju čipova, a tvrtke koje ih koriste ili posjeduju preusmjerit će se na nove, ekološki prihvatljivije metode kada su trenutne tehnike toliko jeftine. Kada se to sve poveća, troškovi stvaranja CNF-a od obnovljivog drva također bi trebali biti skupi, što bi pomoglo proizvođačima uređaja da pređu s tradicionalnijih podloga. Uostalom, drva ima u izobilju i ne treba ga vaditi iz zemlje poput galija. Gotovo dvije tisućljeća povijesti papira na bazi drva također bi trebao pomoći u održavanju niskih troškova izrade CNF-a. "Proces raspadanja drva uspostavljen je vrlo dobro", kaže Ma.
Fleksibilna priroda HNF-a će ga dobro uklopiti u novo polje fleksibilnih elektroničkih uređaja. Ali Ma upozorava da će i pojava fleksibilnih, nosivih, jeftinih uređaja vjerojatno značajno povećati količinu e-otpada u ne tako dalekoj budućnosti.
"Na horizontu smo s dolaskom fleksibilne elektronike", kaže Ma. „Broj fleksibilnih elektroničkih naprava bit će mnogo veći od samo jednog telefona i jednog tableta ili prijenosnog računala. Vjerojatno ćemo imati deset računala. "
Ma se nada da će količina potencijalnog e-otpada koji stvaraju svi ti uređaji u kombinaciji s količinom rijetkih materijala - galij-arsenida i drugih - koja se može uštedjeti korištenjem drvnih materijala u elektronici, s vremenom imati i financijski i okolišni smisao.
