Onze wereldwijde obsessie met efemere consumentenelektronica is snel wat resulteert in een enorm wereldwijd afvalprobleem. Maar liefst 50 miljoen ton van onze oude smartphones, pc's, tv's en andere apparaten zijn vorig jaar weggegooid ten gunste van het volgende nieuwe ding.
Maar onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben een verrassende manier ontwikkeld om het weggooien van toekomstige smartphones en tablets gemakkelijker te maken voor het milieu en het geweten. Ze vervangen het grootste deel van giftige en niet-biologisch afbreekbare materialen in moderne microprocessors door hout.
Het onderzoek is gedaan in samenwerking met het US Department of Agriculture Forest Products Laboratory en is gedetailleerd beschreven in een recent gepubliceerde paper in Nature Communications .
In het bijzonder vervangt de methode van de onderzoekers de stijve basis of het substraatmateriaal in chips voor smartphones en tablets, vaak bestaande uit de arseen bevattende samengestelde galliumarsenide, door cellulose nanofibril (CNF). CNF is een flexibel, transparant materiaal dat wordt gemaakt door de celwanden van hout op nanoschaal af te breken en tot vellen te vormen, net als papier.
De kleine transistors en andere componenten op de chips van het team zijn nog steeds gemaakt van metalen en andere potentieel giftige materialen. Maar de hoeveelheid van die gebruikte materialen is zo klein dat hoofdonderzoeker en UW-Madison elektrotechniek en computer engineering professor Zhenqiang "Jack" Ma zegt dat de chips kunnen worden geconsumeerd door schimmel en worden "zo veilig als kunstmest."
Natuurlijk heeft op hout gebaseerde CNF niet dezelfde eigenschappen als aardolie of op metaal gebaseerde materialen die meer in het algemeen worden gebruikt als substraten in mobiele chips. Zoals elk materiaal op houtbasis, heeft CNF de neiging om vocht aan te trekken en uit te zetten en samen te trekken met temperatuurveranderingen - beide grote problemen voor strak verpakte, vochtafhankelijke microchips. Om het materiaal geschikter te maken voor gebruik in elektronica, werkten Zhiyong Cai van het Amerikaanse ministerie van Landbouw en Shaoqin "Sarah" Gong van UW-Madison samen om een biologisch afbreekbare epoxycoating te creëren, die ervoor zorgt dat het materiaal geen water aantrekt en uitzet. Het maakt het materiaal ook gladder, een belangrijke eigenschap voor een materiaal dat wordt gebruikt om kleine chips te bouwen. Ma zegt dat de hoeveelheid gebruikte epoxy afhankelijk is van hoe lang de chip nodig heeft. Het gebruik van minder epoxy betekent ook dat schimmel de chip sneller kan afbreken, maar Ma zegt dat schimmel altijd uiteindelijk zijn weg zal vinden door de epoxy.
Net als galliumarsenide moet CNF ook een laag energieverlies hebben op de radiofrequentie, zodat draadloze signalen die worden verzonden en ontvangen door de chip niet worden aangetast of geblokkeerd. "Onze groep deed de radiofrequentie-energieverlies testen, " zegt Ma, "en we vonden, oh cool, alles ziet er goed uit."
Zodra de onderzoekers er zeker van waren dat het materiaal een levensvatbaar alternatief was, was de volgende stap het uitzoeken hoe zoveel mogelijk galliumarsenide uit een chip kon worden verwijderd en vervangen door CNF. Daarvoor leende Ma een techniek van een deel van zijn andere ontwerpen van flexibele elektronica.
"Wanneer we flexibele elektronica maken, pellen we een zeer dunne laag silicium of galliumarsenide af en kan het substraat [materiaal eronder] worden opgeslagen", zegt Ma. "Dus waarom doen we niet gewoon hetzelfde en pellen we een enkele laag van het originele substraat af en plaatsen we dit op CNF, dit op hout gebaseerde substraat."
Galliumarsenide wordt in telefoons gebruikt als substraat, in plaats van het silicium dat gebruikelijk is in computerprocessors, omdat het veel betere eigenschappen heeft voor het verzenden van signalen over lange afstanden, zoals torens voor mobiele telefoons. Maar Ma zegt, ondanks de milieu- en schaarsteproblemen met galliumarsenide (het is een zeldzaam materiaal), niemand een dunne-filmachtige transistor of circuit uit het materiaal had gemaakt, en de bestaande technieken gebruikten meer van de potentieel giftige stof dan noodzakelijk.
Voor sommige soorten chips zijn slechts 10 transistors nodig, en de techniek die ze hebben ontwikkeld zorgt ervoor dat er veel meer dan dat in een gebied van 4 millimeter bij 5 millimeter kan worden gemaakt. "Eigenlijk kunnen we duizenden transistors uit dat gebied bouwen en die transistors gewoon naar het houtsubstraat verplaatsen", zegt Ma. "Dit CNF-materiaal is verrassend goed en niemand heeft er ooit hoogfrequente toepassingen mee geprobeerd."
Natuurlijk zijn er andere potentieel giftige materialen in draagbare elektronica, inclusief in batterijen, en de glazen, metalen en plastic omhulsels van de apparaten vormen het grootste deel van het e-afval. Maar de vooruitgang op het gebied van milieuvriendelijke kunststoffen en recent werk met houtvezels om driedimensionale batterijen te maken, biedt hoop dat we ons ooit beter zullen voelen over het vervangen van onze verouderingsapparaten.
De echte uitdaging zal echter waarschijnlijk zijn om massieve fabrieken voor chipproductie en de bedrijven die ze in dienst hebben of bezitten, over te schakelen naar nieuwere, milieuvriendelijkere methoden wanneer de huidige technieken zo goedkoop zijn. Wanneer het echter wordt opgeschaald, moeten de kosten voor het maken van CNF uit hernieuwbaar hout ook goedkoop zijn, waardoor apparaatproducenten worden verleid om over te schakelen van meer traditionele substraten. Hout is tenslotte overvloedig en hoeft niet als gallium uit de grond te worden gedolven. De geschiedenis van bijna twee millennia van op hout gebaseerd papier zou ook moeten helpen de kosten van CNF laag te houden. "Het houtafbraakproces is zeer goed ingesteld", zegt Ma.
Het flexibele karakter van CNF maakt het geschikt voor het opkomende gebied van flexibele elektronische apparaten. Maar Ma waarschuwt dat de opkomst van flexibele, draagbare, goedkope apparaten waarschijnlijk ook de hoeveelheid e-waste in de nabije toekomst aanzienlijk zal vergroten.
"We staan aan de horizon van de komst van flexibele elektronica", zegt Ma. “Het aantal flexibele elektronische gadgets zal veel meer zijn dan slechts één telefoon en één tablet of laptop. We hebben waarschijnlijk tien pc's. "
Ma hoopt dat de hoeveelheid potentieel e-afval dat wordt gegenereerd door al deze apparaten in combinatie met de hoeveelheid zeldzame materialen - galliumarsenide en andere - die kunnen worden bespaard door houtmaterialen in elektronica te gebruiken, uiteindelijk zowel financieel als ecologisch zinvol zal zijn.
