En helt återvinningsbar och biologiskt nedbrytbar tryckt krets. Kredit:Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Enligt FN återvinns mindre än en fjärdedel av allt elektroniskt avfall i USA. Bara under 2021 ökade det globala e-avfallet med 57,5 miljoner ton, och endast 17,4 % av det återvanns.
Vissa experter förutspår att vårt e-avfallsproblem bara kommer att bli värre med tiden, eftersom den mesta elektroniken på marknaden idag är designad för portabilitet, inte återvinningsbarhet. Surfplattor och läsare, till exempel, sätts samman genom att limma kretsar, chips och hårddiskar till tunna lager av plast, som måste smältas för att utvinna ädelmetaller som koppar och guld. Förbränning av plast släpper ut giftiga gaser i atmosfären, och elektronik som slängs i deponi innehåller ofta skadliga material som kvicksilver, bly och beryllium.
Men nu har ett team av forskare från Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley utvecklat en potentiell lösning:en helt återvinningsbar och biologiskt nedbrytbar tryckt krets. Forskarna, som rapporterade den nya enheten i tidskriften Advanced Materials , säger att framsteg kan avleda bärbara enheter och annan flexibel elektronik från deponi och mildra hälso- och miljörisker som tungmetallavfall utgör.
"När det kommer till e-avfall av plast är det lätt att säga att det är omöjligt att lösa och gå därifrån", säger seniorförfattaren Ting Xu, seniorforskare på fakulteten vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Men forskare hittar fler bevis på betydande hälso- och miljöproblem orsakade av e-avfall som läcker ut i marken och grundvattnet. Med den här studien visar vi att även om du inte kan lösa hela problemet ännu, kan du åtminstone ta itu med problemet med att återvinna tungmetaller utan att förorena miljön."
Använda enzymer
I en tidigare Natur studien visade Xu och hennes team ett biologiskt nedbrytbart plastmaterial inbäddat med renade enzymer som Burkholderia cepacian lipas (BC-lipas). Genom det arbetet upptäckte de att hett vatten aktiverar BC-lipas, vilket får enzymet att bryta ned polymerkedjor till monomerbyggstenar. De lärde sig också att BC-lipas är en petig "ätare". Innan ett lipas kan omvandla en polymerkedja till monomerer måste det först fånga slutet av en polymerkedja. Genom att kontrollera när lipaset hittar kedjeänden är det möjligt att säkerställa att materialen inte bryts ned förrän vattnet når en viss temperatur.
För den aktuella studien förenklade Xu och hennes team processen ytterligare. Istället för dyra renade enzymer är de biologiskt nedbrytbara tryckta kretsarna beroende av billigare, hyllfärdiga BC-lipas-"cocktails". Detta minskar kostnaderna avsevärt, vilket underlättar den tryckta kretsens inträde i masstillverkning, sa Xu.
Genom att göra det avancerade forskarna tekniken, vilket gjorde det möjligt för dem att utveckla ett utskrivbart "ledande bläck" som består av biologiskt nedbrytbara polyesterbindemedel, ledande fyllmedel som silverflingor eller kimrök och kommersiellt tillgängliga enzymcocktails. Bläcket får sin elektriska ledningsförmåga från silver- eller kimrökspartiklarna och de biologiskt nedbrytbara polyesterbindemedlen fungerar som ett lim.
Forskarna försåg en kommersiell 3D-skrivare med ledande bläck för att skriva ut kretsmönster på olika ytor som hård biologiskt nedbrytbar plast, flexibel biologiskt nedbrytbar plast och tyg. Detta bevisade att bläcket fäster vid en mängd olika material och bildar en integrerad enhet när bläcket torkar.
För att testa dess hållbarhet och hållbarhet lagrade forskarna en tryckt krets i en laboratorielåda utan kontrollerad luftfuktighet eller temperatur i sju månader. Efter att ha dragit kretsen från lagringen lade forskarna kontinuerlig elektrisk spänning på enheten i en månad och fann att kretsen ledde elektricitet lika bra som den gjorde före lagring.
Därefter testade forskarna enhetens återvinningsbarhet genom att doppa den i varmt vatten. Inom 72 timmar bröts kretsmaterialet ned till sina beståndsdelar - silverpartiklarna separerade helt från polymerbindemedlen, och polymererna bröts ner till återanvändbara monomerer, vilket gjorde det möjligt för forskarna att enkelt återvinna metallerna utan ytterligare bearbetning. I slutet av detta experiment fastställde de att cirka 94 % av silverpartiklarna kan återvinnas och återanvändas med liknande prestanda.
Att kretsens nedbrytbarhet fortsatte efter 30 dagars drift överraskade forskarna, vilket antydde att enzymerna fortfarande var aktiva. "Vi blev förvånade över att enzymerna "levde" så länge. Enzymer är inte designade för att fungera i ett elektriskt fält, säger Xu.
Xu tillskriver de fungerande enzymernas livslängd till den biologiskt nedbrytbara plastens molekylära struktur. I sin tidigare studie lärde forskarna att tillsats av ett enzymskyddsmedel som kallas slumpmässig heteropolymer, eller RHP, hjälper till att sprida enzymerna i blandningen i kluster som är några nanometer (miljarddelar av en meter) i storlek. Detta skapar en säker plats i plasten för enzymer att ligga i dvala tills de uppmanas till handling.
Kretsen visar också lovande som ett hållbart alternativ till engångsplaster som används i transientelektronik – enheter som biomedicinska implantat eller miljösensorer som sönderfaller över en tidsperiod, säger huvudförfattaren Junpyo Kwon, en Ph.D. studentforskare från Xu Group vid UC Berkeley.
Nu när de har demonstrerat en biologiskt nedbrytbar och återvinningsbar tryckt krets, vill Xu demonstrera ett utskrivbart, återvinningsbart och biologiskt nedbrytbart mikrochip.
"Med tanke på hur sofistikerade chipsen är nuförtiden, kommer det här absolut inte att bli lätt. Men vi måste försöka ge vårt bästa", sa hon. + Utforska vidare
