Инженеры Университета Дьюка разработали первую в мире печатную электронику, полностью пригодную для вторичной переработки. Демонстрируя важнейший и относительно сложный компонент компьютера — транзистор, созданный с помощью трех чернил на углеродной основе, исследователи надеются подтолкнуть создание нового поколения перерабатываемой электроники. Работа была опубликована в журнале Nature Electronics.
Аарон Франклин, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Duke, ведущий автор, сказал:
Компьютерные компоненты на основе кремния, вероятно, никогда не исчезнут, и мы не ожидаем, что легко перерабатываемая электроника, такая как наша, заменит технологии и устройства, которые уже широко используются. Но мы надеемся, что благодаря созданию новой, полностью перерабатываемой, легко печатаемой электроники и демонстрации того, на что она способна, они могут найти широкое применение в будущих приложениях.
По мере того, как люди во всем мире внедряют в свою жизнь все больше электроники, постоянно возрастает и число выброшенных устройств, которые либо больше не работают, либо морально устарели. По оценкам Организации Объединенных Наций, менее ста тонн электроники, выбрасываемой каждый год, перерабатывается. И проблема будет только усугубляться, поскольку мир переходит на устройства 5G, а Интернет вещей (IoT) продолжает расширяться.
Отчасти проблема заключается в том, что электронные устройства трудно утилизировать. На крупных предприятиях работают сотни рабочих, которые обслуживают громоздкие устройства. Но в то время как отходы меди, алюминия и стали можно переработать, кремниевые чипы, лежащие в основе устройств, остаются "мертвым грузом".
В новом исследовании Франклин и его лаборатория демонстрируют полностью перерабатываемый, полностью функциональный транзистор, сделанный из трех чернил на углеродной основе, который можно легко напечатать на бумаге или другой гибкой, экологически чистой поверхности. Углеродные нанотрубки и графеновые чернила используются для полупроводников и проводников соответственно. По словам Франклина, хотя эти материалы не новы в мире печатной электроники, путь к вторичной переработке был открыт с разработкой изолирующих диэлектрических чернил на основе древесины, называемых наноцеллюлозой.
Исследователи разработали метод суспендирования кристаллов наноцеллюлозы, извлеченных из древесных волокон, который — с добавлением небольшого количества поваренной соли — дает чернила, действующие как изолятор в печатных транзисторах. Используя три краски в аэрозольном струйном принтере при комнатной температуре, команда показывает, что их полностью угольные транзисторы работают достаточно хорошо для использования в самых разных областях, даже через шесть месяцев после первой печати.
Затем команда проверила, насколько пригодна для вторичной переработки их конструкция. Погружая свои устройства в ряд ванн, осторожно обрабатывая их звуковыми волнами и центрифугируя полученный раствор, углеродные нанотрубки и графен последовательно восстанавливаются со средним выходом почти 100%. Оба материала могут быть повторно использованы в одном и том же процессе печати, при этом, практически, не теряя своей жизнеспособности. А поскольку наноцеллюлоза сделана из дерева, ее можно просто переработать вместе с бумагой, на которой она была напечатана.
По сравнению с резистором или конденсатором, транзистор представляет собой относительно сложный компьютерный компонент, используемый в таких устройствах, как логические схемы и различные датчики. Демонстрируя жизнеспособность технологии на одном из самых сложных, и важных, элементов микроэлектроники, исследователи надеются привлечь большее внимание к подобным разработкам.
