Användare av bärbar elektronik tenderar att uppgradera sina enheter ofta när ny teknik som erbjuder mer funktionalitet och mer bekvämlighet blir tillgänglig. En rapport som publicerades av U.S. Environmental Protection Agency 2012 visade att cirka 152 miljoner mobila enheter kasseras varje år, varav endast 10 procent återvinns – ett arv av avfall som förbrukar enorma mängder naturresurser och producerar mycket skräp tillverkat av dyra och icke biologiskt nedbrytbara material som högrenat kisel.

Nu har forskare från University of Wisconsin-Madison kommit fram till en ny lösning för att lindra miljöbelastningen av kasserad elektronik. De har visat möjligheten att tillverka biologiskt nedbrytbara tunnfilmstransistorer i mikrovågor från en transparent, flexibelt biologiskt nedbrytbart substrat tillverkat av billigt trä, kallas cellulosa nanofibrillerad fiber (CNF). Detta arbete öppnar dörren för grönt, låg kostnad, bärbara elektroniska enheter i framtiden.

I en tidning som publicerades denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , forskarna beskriver den biologiskt nedbrytbara enheten.

"Vi fann att cellulosa nanofibrillerade fiberbaserade transistorer uppvisar överlägsen prestanda än konventionella kiselbaserade transistorer, " sa Zhenqiang Ma, teamledaren och professor i el- och datateknik vid UW-Madison. "Och de biobaserade transistorerna är så säkra att du kan placera dem i skogen, och svamp kommer snabbt att bryta ner dem. De blir lika säkra som gödsel."

Nu för tiden, Majoriteten av bärbar elektronik är byggd på icke-förnybara, icke biologiskt nedbrytbara material som kiselwafers, som är mycket renade, dyra och styva underlag, men cellulosa nanofibrillerade fiberfilmer har potential att ersätta kiselskivor som elektroniska substrat i miljövänliga, låg kostnad, bärbara prylar eller framtida enheter.

Nanofibrillerad cellulosafiber är en hållbar, stark, transparent nanomaterial tillverkat av trä. Jämfört med andra polymerer som plast, tränanomaterialet är biokompatibelt och har relativt låg värmeutvidgningskoefficient, vilket innebär att materialet inte kommer att ändra form när temperaturen ändras. Alla dessa överlägsna egenskaper gör cellulosa nanofibriller till en enastående kandidat för att göra bärbar grön elektronik.

För att skapa högpresterande enheter, Ma's team använde kiselnanomembran som det aktiva materialet i transistorn – bitar av ultratunna filmer (tunnare än ett människohår) skalade från bulkkristallen och sedan överfördes och limmades på cellulosananofibrillsubstratet för att skapa en flexibel, biologiskt nedbrytbar och transparent kiseltransistor.

Men för att göra bärbar elektronik, den biologiskt nedbrytbara transistorn som behövs för att kunna fungera vid mikrovågsfrekvenser, vilket är arbetsräckvidden för de flesta trådlösa enheter. Forskarna genomförde således en serie experiment som att mäta ström-spänningsegenskaperna för att studera enhetens funktionella prestanda, som slutligen visade att den biologiskt nedbrytbara transistorn har överlägsna mikrovågsfrekvensfunktioner jämförbara med befintliga halvledartransistorer.

"Biologiskt nedbrytbar elektronik ger en ny lösning för miljöproblem som orsakas av konsumenternas jakt på snabbt uppgraderade bärbara enheter, ", sa Ma. "Det kan förutses att framtida elektroniska kretsar och bärbara enheter kommer att vara mycket grönare och billigare än idag."

Nästa, Ma och kollegor planerar att utveckla ett mer komplicerat kretssystem baserat på de biologiskt nedbrytbara transistorerna.