Нашата мания за ефимерна потребителска електроника бързо води до масов глобален проблем с боклука. Около 50 милиона метрични тона на нашите стари смартфони, персонални компютри, телевизори и други устройства бяха изхвърлени миналата година в полза на следващото ново нещо.
Но изследователи от Университета на Уисконсин-Медисън са разработили изненадващ начин да направят изхвърлянето на бъдещи смартфони и таблети по-лесно на околната среда и съвестта. Те заместват по-голямата част от токсичните и небиоразградими материали в съвременните микропроцесори с дърво.
Изследването е направено в сътрудничество с Лабораторията по горски продукти на Министерството на земеделието на САЩ и е подробно описано в наскоро публикуван документ в Nature Communications .
По-конкретно, методът на изследователите замества твърдата основа или материал на субстрата в смартфони и таблетни чипове, често съставени от съдържащия арсен съединение галиев арсенид, с целулозен нанофибрил (CNF). CNF е гъвкав, прозрачен материал, направен чрез разрушаване на клетъчните стени на дървесината до наномащаба и оформянето им на листове, подобно на хартия.
Малките транзистори и други компоненти на чиповете на екипа все още са изработени от метали и други потенциално токсични материали. Но количеството на използваните материали е толкова малко, че водещият изследовател и професорът по електротехническо и компютърно инженерство UW-Madison Zhenqiang "Джак" Ма казва, че чиповете могат да бъдат консумирани от гъбички и да станат "толкова безопасни, колкото тор".
Разбира се, CNF на дървесина няма същите характеристики като материалите на основата на нефт или метал, които обикновено се използват като субстрати в мобилни чипове. Както всеки материал на основата на дърво, CNF има тенденция да привлича влага и да се разширява и да се свива с температурни промени - и двата основни проблема за плътно опакованите микрочипове, устойчиви на влага. За да направи материала по-подходящ за използване в електрониката, Zhiyong Cai от Министерството на земеделието на САЩ и Shaoqin "Sarah" Gong от UW-Madison работиха заедно за създаването на биоразградимо епоксидно покритие, което предпазва материала от привличане на вода и разширяване. Освен това прави материала по-гладък, важно свойство за материал, използван за изграждане на малки чипове. Ма казва, че количеството на използвания епоксид зависи от това колко дълго чипът трябва да издържи. Използването на по-малко епоксидно също означава, че гъбичките могат да разрушат чипа по-бързо, но Ма казва, че гъбичките в крайна сметка винаги ще си проправят път през епоксида.
Подобно на галиевия арсенид, CNF също трябва да има ниска радиочестотна загуба на енергия, така че безжичните сигнали, които се предават и получават от чипа, няма да бъдат влошени или блокирани. „Нашата група направи теста за загуба на радиочестотна енергия“, казва Ма, „и открихме, о, готино, всичко изглежда добре.“
След като изследователите са били сигурни, че материалът е жизнеспособен заместител, следващата стъпка е да измислят как да отстранят колкото е възможно повече арсенид от галий и да го заменят с CNF. За това Ма заимства техника от някои от другите си проекти, проектиращи гъвкава електроника.
„Когато правим гъвкава електроника, ние отлепваме много тънък слой силициев или галиев арсенид и субстратът [материал отдолу] може да бъде спасен“, казва Ма. „Така че защо просто не направим същото и да отлепим един слой от оригиналния субстрат и да го поставим върху CNF, този дървесен субстрат.“
Галиевият арсенид се използва в телефоните като субстрат, а не като силиций, който е често срещан в компютърните процесори, тъй като има много по-добри свойства за предаване на сигнали на дълги разстояния - подобно на кулите на мобилните телефони. Но Ма казва, че въпреки проблемите с околната среда и недостига с арсенид на галий (това е рядък материал), никой не е създал тънкослоен транзистор или верига от материала, а съществуващите техники са използвали повече от потенциално токсичното вещество, отколкото необходимо.
Необходими са само 10 транзистора за някои видове чипове, а техниката, която са разработили, позволява създаването на много повече от това в 4-милиметрова зона от 5 милиметра. "Всъщност можем да изградим хиляди транзистори извън тази зона и просто да преместим тези транзистори към дървения субстрат", казва Ма. „Този CNF материал е изненадващо добър и никой никога не е опитвал високочестотни приложения с него.“
Разбира се, има и други потенциално токсични материали в преносимата електроника, включително в батериите, а стъклените, металните и пластмасовите обвивки на устройствата съставляват по-голямата част от електронните отпадъци. Но напредъкът в екологичните пластмаси и скорошната работа с използването на дървесни влакна за създаване на триизмерни батерии предлагат надежда, че някой ден може да се почувстваме по-добре при подмяната на стареещите ни устройства.
Истинското предизвикателство обаче вероятно ще бъде получаването на масивни заводи за производство на чипове и компаниите, които ги използват или притежават, да преминат към по-нови, по-екологични методи, когато съвременните техники са толкова евтини. Когато се увеличат обаче, разходите за създаване на CNF от възобновяема дървесина също трябва да бъдат евтини, като помагат на производителите на устройства да преминат от по-традиционни субстрати. В крайна сметка дървесината е в изобилие и не е необходимо да се добива от земята като галий. Близо две хилядолетна история на хартия на дърво също трябва да помогне да се поддържат разходите за изработка на CNF ниски. „Процесът на разрушаване на дървесината е установен много добре“, казва Ма.
Гъвкавият характер на CNF ще го направи подходящ за нововъзникващото поле от гъвкави електронни устройства. Но Ма предупреждава, че появата на гъвкави, носими, евтини устройства също вероятно ще увеличи значително количеството на електронните отпадъци в не твърде далечното бъдеще.
„Ние сме на хоризонта на пристигането на гъвкава електроника“, казва Ма. „Броят на гъвкавите електронни джаджи ще бъде много повече от само един телефон и един таблет или лаптоп. Вероятно ще имаме десет компютъра. "
Ма се надява, че количеството потенциални е-отпадъци, генерирани от всички тези устройства, комбинирани с количеството на редки материали - галиев арсенид и други, които могат да бъдат спестени чрез използване на дървесни материали в електрониката, в крайна сметка ще има финансов и екологичен смисъл.
