Meie ülemaailmne kinnisidee lühiajalise tarbeelektroonika osas on kiire, põhjustades tohutu globaalse prügiprobleemi. Järgmise uue asja kasuks loobuti eelmisel aastal koguni 50 miljonist tonnist meie vanadest nutitelefonidest, arvutitest, teleritest ja muudest seadmetest.
Kuid Wisconsini-Madisoni ülikooli teadlased on välja töötanud üllatava viisi, kuidas muuta tulevaste nutitelefonide ja tahvelarvutite viskamine keskkonna ja südametunnistuse järgi lihtsamaks. Nad asendavad suurema osa moodsad mikroprotsessorites leiduvad mürgised ja mitte biolagunevad materjalid puiduga.
Uuring tehti koostöös USA põllumajanduse osakonna metsasaaduste laboriga ja see on üksikasjalikult avaldatud hiljuti avaldatud artiklis aastal loodussuhtluses .
Täpsemalt, teadlaste meetod asendab nutitelefoni ja tahvelarvuti kiipides sisalduva jäika alus- või põhimikmaterjali, mis sageli koosneb arseeni sisaldavast ühendist galliumarseeniidist, tselluloos nanofibrilliga (CNF). CNF on painduv, läbipaistev materjal, mis on valmistatud puidu lahtriseinte lagundamisel nanomõõtmeks ja vormides selle lehtedeks, sarnaselt paberile.
Meeskonna kiibidel olevad pisikesed transistorid ja muud komponendid on ikka valmistatud metallidest ja muudest potentsiaalselt mürgistest materjalidest. Kuid kasutatud materjalide hulk on nii väike, et juhtivteadur ja UW-Madisoni elektri- ja arvutitehnika professor Zhenqiang "Jack" Ma väidab, et seened saavad laastud tarbida ja need muutuvad “sama ohutuks kui väetis”.
Muidugi ei ole puidupõhisel CNF-il samu omadusi kui nafta- või metallipõhistel materjalidel, mida tavaliselt kasutatakse liikuva laastu substraatidena. Nagu kõigil puidupõhistel materjalidel, on ka CNF-il kalduvus meelitada niiskust ning laieneda ja temperatuurimuutustega kokku tõmbuda - mõlemad on tihedalt pakitud ja niiskusevabade mikrokiipide peamised probleemid. Materjali elektroonikas kasutamiseks sobivamaks muutmiseks töötasid USA põllumajandusministeeriumi esindajad Zhiyong Cai ja UW-Madisonis asuv Shaoqin "Sarah" Gong koos biolaguneva epoksükatte loomisel, mis hoiab materjali vee ligimeelitamisel ja laienemisel. See muudab ka materjali sujuvamaks, see on oluline omadus materjalile, mida kasutatakse pisikeste laastude ehitamiseks. Ma ütleb, et kasutatava epoksiidi kogus sõltub sellest, kui kaua kiip peab kestma. Vähem epoksiidi kasutamine tähendab ka seda, et seen võib kiibi kiiremini lagundada, kuid Ma sõnul on seen alati epoksiidist läbi.
Nagu galliumarseniidil, peab ka CNF-il olema madal raadiosageduse energiakadu, nii et kiibi edastatavad ja vastuvõetavad traadita signaalid ei halvene ega blokeeru. "Meie rühm tegi raadiosageduse energiakadude testimist, " ütleb Ma, "ja leidsime, et lahe, kõik näeb hea välja."
Kui teadlased olid kindlad, et materjal on elujõuline asendaja, oli järgmine samm välja nuputamine, kuidas eemaldada kiibist võimalikult palju galliumarseniidi ja asendada see CNF-iga. Selleks laenas Ma mõne teise oma töö, mis kujundas painduvat elektroonikat, tehnika.
"Paindliku elektroonika tegemisel koorime maha väga õhukese räni- või gallium-arseniidi kihi ja substraati [selle all olevat materjali] saab säästa, " ütleb Ma. "Miks me ei tee lihtsalt sama asja ja koorime ära ühe kihi algset põhimikku ja paneme selle puidupõhise põhimiku CNF-i."
Galliumarseniidi kasutatakse telefonides substraadina, mitte arvutiprotsessorites levinud räni asemel, kuna sellel on palju paremad omadused signaalide edastamiseks pikkade vahemaade taha - näiteks mobiiltelefoni tornidesse. Kuid Ma ütleb, et vaatamata galliumarseniidi (see on haruldane materjal) keskkonna- ja nappusprobleemidele, ei olnud keegi loonud materjalist õhukese kihi tüüpi transistorit või vooluringi ja olemasolevad tehnikad kasutasid rohkem potentsiaalselt toksilist ainet kui vajalik.
Mõne tüüpi kiibide jaoks on vaja vähem kui 10 transistorit ja nende väljatöötatud tehnika võimaldab luua palju enamat kui 4 millimeetrit kuni 5 millimeetrit. "Tegelikult saame sellest piirkonnast ehitada tuhandeid transistore ja viia need transistorid lihtsalt puidupõhjale, " ütleb Ma. "See CNF-materjal on üllatavalt hea ja keegi pole sellega kunagi kõrgsagedusrakendusi proovinud."
Muidugi on kaasaskantavas elektroonikas ka teisi potentsiaalselt mürgiseid materjale, sealhulgas patareides, ning e-jäätmetest moodustavad suurema osa seadmete klaas-, metall- ja plastkestad. Kuid edusammud keskkonnasõbraliku plastiku alal ja hiljutine töö puidukiudude abil kolmemõõtmeliste patareide loomisel pakuvad lootust, et ehk tunneme end ühel päeval vananemisseadmete asendamise vastu paremini.
Tõeline väljakutse on aga tõenäoliselt massiivsete kiibitootmisjaamade ja neid töötavate või omavate ettevõtete üleminek uuematele, keskkonnasõbralikumatele meetoditele, kui praegused tehnikad on nii odavad. Kui arvestada, peaksid taastuvpuidust CNF-i loomisega seotud kulud olema ka odavad, aidates seadmetootjatel traditsioonilistest aluspindadest üle minna. Lõppude lõpuks on puitu rikkalikult ja seda ei pea maapinnast kaevandama nagu gallium. Puidupõhise paberi peaaegu kahe aastatuhande pikkune ajalugu peaks samuti aitama hoida CNF-i valmistamise kulusid madalal. “Puidu lagunemisprotsess on väga hästi sisse seatud, ” ütleb Ma.
CNF-i paindlik olemus muudab selle hästi sobivaks paindlike elektroonikaseadmete tekkivale väljale. Kuid Ma hoiatab, et paindlike, kantavate ja odavate seadmete ilmnemine suurendab tõenäoliselt ka e-jäätmete hulka lähitulevikus.
"Oleme paindliku elektroonika saabumise silmapiiril, " ütleb Ma. “Paindlike elektrooniliste vidinate arv on palju enamat kui lihtsalt üks telefon ja üks tahvelarvuti või sülearvuti. Tõenäoliselt on meil kümme arvutit. "
Ma loodab, et kõigi nende seadmete tekitatud potentsiaalsete e-jäätmete hulk koos haruldaste materjalide - galliumarseniidi ja teiste - hulgaga, mida saab puidupõhiste materjalide kasutamisel elektroonikas kokku hoida, on lõpuks nii rahaliselt kui ka keskkonna seisukohalt mõistlik.
