Печатайте, перерабатывайте, повторяйте: ученые демонстрируют биоразлагаемую печатную схему

По данным ООН только в 2021 году объем электронных отходов в мире вырос до 57,5 ​​млн тонн, и только 17,4% из них было переработано.

Некоторые эксперты предсказывают, что наша проблема с электронными отходами со временем будет только усугубляться, потому что большая часть электроники на рынке сегодня предназначена для портативности, а не для вторичной переработки. Планшеты и ридеры, например, собираются путем приклеивания схем, микросхем и жестких дисков к тонким слоям пластика, которые необходимо расплавить для извлечения драгоценных металлов, таких как медь и золото. При сжигании пластика в атмосферу выбрасываются токсичные газы, а электроника, выбрасываемая на свалку, часто содержит вредные материалы, такие как ртуть, свинец и бериллий.

Но теперь команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли разработала потенциальное решение: полностью перерабатываемая и биоразлагаемая печатная схема. Исследователи, сообщившие о новом устройстве в журнале Advanced Materials , говорят, что это усовершенствование может перенаправить носимые устройства и другую гибкую электронику на свалку и смягчить опасность для здоровья и окружающей среды , создаваемую отходами тяжелых металлов.

Заставляем ферменты работать

В предыдущем исследовании Nature Сюй и ее команда продемонстрировали биоразлагаемый пластиковый материал, содержащий очищенные ферменты, такие как липаза Burkholderia cepacian (BC-липаза). Благодаря этой работе они обнаружили, что горячая вода активирует BC-липазу, побуждая фермент расщеплять полимерные цепи на мономерные строительные блоки. Они также узнали, что BC-липаза — привередливый «едок». Прежде чем липаза сможет преобразовать полимерную цепь в мономеры, она должна сначала захватить конец полимерной цепи. Контролируя, когда липаза находит конец цепи, можно гарантировать, что материалы не разлагаются до тех пор, пока вода не достигнет определенной температуры.

В текущем исследовании Сюй и ее команда еще больше упростили процесс. Вместо дорогих очищенных ферментов биоразлагаемые печатные схемы основаны на более дешевых, готовых к хранению «коктейлях» липазы BC. По словам Сюй, это значительно снижает затраты, облегчая внедрение печатных плат в массовое производство.

Таким образом, исследователи усовершенствовали технологию, позволив им разработать пригодные для печати «проводящие чернила», состоящие из биоразлагаемых полиэфирных связующих, проводящих наполнителей, таких как серебряные хлопья или сажа, и коммерчески доступных коктейлей ферментов. Чернила получают электропроводность за счет частиц серебра или сажи, а биоразлагаемые полиэфирные связующие действуют как клей.

Исследователи снабдили коммерческий 3D-принтер проводящими чернилами для печати рисунков схем на различных поверхностях, таких как твердый биоразлагаемый пластик, гибкий биоразлагаемый пластик и ткань. Это доказало, что чернила прилипают к различным материалам и после высыхания образуют единое целое.

Чтобы проверить срок годности и долговечность, исследователи хранили печатную схему в лабораторном ящике без контроля влажности и температуры в течение семи месяцев. Вытащив схему из хранилища, исследователи в течение месяца прикладывали к устройству постоянное электрическое напряжение и обнаружили, что схема проводит электричество так же хорошо, как и до хранения.

Затем исследователи проверили пригодность устройства к переработке, погрузив его в теплую воду. В течение 72 часов материалы схемы разложились на составные части — частицы серебра полностью отделились от полимерных связующих, а полимеры распались на повторно используемые мономеры, что позволило исследователям легко восстановить металлы без дополнительной обработки. К концу этого эксперимента они определили, что примерно 94% частиц серебра могут быть переработаны и повторно использованы с аналогичными характеристиками устройства.

Исследователей удивило то, что разлагаемость цепи продолжалась после 30 дней работы, предполагая, что ферменты все еще были активны. «Мы были удивлены, что ферменты «жили» так долго. Ферменты не предназначены для работы в электрическом поле», — сказал Сюй.

Сюй объясняет долговечность рабочих ферментов молекулярной структурой биоразлагаемого пластика. В своем предыдущем исследовании исследователи узнали, что добавление защитного фермента , называемого случайным гетерополимером, или RHP, помогает распределить ферменты в смеси в виде кластеров размером в несколько нанометров (миллиардных долей метра). Это создает безопасное место в пластике для ферментов, которые могут бездействовать до тех пор, пока их не призовут к действию.

Схема также обещает стать устойчивой альтернативой одноразовому пластику, используемому в переходной электронике — таких устройствах, как биомедицинские имплантаты или датчики окружающей среды, которые распадаются с течением времени, сказал ведущий автор Джунпё Квон, доктор философии. студент-исследователь из группы Xu в Калифорнийском университете в Беркли.

Теперь, когда они продемонстрировали биоразлагаемую и перерабатываемую печатную схему, Сюй хочет продемонстрировать пригодный для печати, вторичной переработки и биоразлагаемый микрочип.

 

Дополнительная информация: Junpyo Kwon et al, Проводящие чернила с круговым жизненным циклом для печатной электроники, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202202177 

Кристофер ДельРе и др. Почти полная деполимеризация полиэфиров с помощью нанодисперсных ферментов, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03408-3

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com