Czip z nanowłókien celulozowych na liściu. Zdjęcie: Yei Hwan Jung, Wisconsin Nano Engineering Device Laboratory
Naukowcy zamienili drogie i toksyczne półprzewodniki na materiał pochodzący z drewna. Udało się w ten sposób uzyskać działające elektroniczne czipy, które są w pełni biodegradowalne.
Obecnie elementy elektroniczne produkuje się z drogich, nieodnawialnych i niebiodegradowalnych materiałów, które w dodatku często są bardzo toksyczne. Chociaż są to niewielkie elementy, to produkuje się ich takie ilości, że niedługo składowanie i ochrona środowiska przed elektrośmieciami staną się poważnym problemem.
Naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison zauważyli, że większa część czipa jest zbudowana z półprzewodników, mimo że nie pełnią one tam żadnych specjalnych funkcji. Jest to podłoże, na których nakładane są cienkie warstwy potrzebne do działania czipa. „Większość materiału w czipie jest do podtrzymywania. Używamy jedynie mniej niż kilka mikrometrów do czegokolwiek innego” – mówi Zhenqiang Ma, profesor elektroniki i informatyki w Madison. Dodatkowo większość miejsca na czipie jest marnowana, między działającymi elementami jest mnóstwo miejsca. W efekcie jedynie 1% czipa to część aktywna, a pozostałe 99% to podłoże. Grupa profesora Ma spróbowała zamienić te 99% drogiego i niebezpiecznego materiału na drewno. Konkretnie użyto wytwarzanych z drewna nanowłókien celulozowych (CNF).
CNF – nanowłókna celulozowe
„Jeśli weźmiesz duże drzewo i potniesz na pojedyncze włókna, najwięcej otrzymasz papieru. Wymiary włókna będą rzędu mikrometrów. Ale jeśli mógłbyś podzielić ja na nanometry? W tej skali byłby to bardzo mocny i przezroczysty materiał – CNF” – tłumaczy Zhiyong Cai, kierownik projektu w Laboratorium Produktów Lasu w Madison.
Okazuje się, że nanowłókna celulozowe całkiem dobrze nadają się na podłoża dla elementów elektronicznych. Grupie z Madison udało się wykonać na takim podłożu działające czipy z najpopularniejszych materiałów półprzewodnikowych – krzemu i arsenku galu. W dodatku jego własności są dokładnie takie, jakich wymaga elektronika przyszłości – jest giętki, wytrzymały i przezroczysty.
Biodegradowalna elektronika
Po wytworzeniu czipów naukowcy przeprowadzili doświadczenie z ich biodegradacją. Sprawdzili jak różne rodzaje grzybów przetwarzają takie struktury. Wyniki eksperymentu potwierdzają biodegradowalność czipów – po 60 dniach zostały całkowicie przerobione przez grzyby.
No tak, ale można by się zapytać: co z tym jednym procentem czipa, który nie został zamieniony na celulozę? W końcu tam nadal są szkodliwe substancje, takie jak arsen. Okazuje się, że ta ilość jest już tak mikroskopijna, że przestaje być problemem. Przykładowo, żeby zostały spełnione normy dla wody pitnej, substancje zawarte w standardowym smartfonie musiałyby być rozpuszczone w ponad stu litrach wody. Natomiast jeśli w tym telefonie użyte zostałyby biodegradowalne czipy z celulozy, wystarczyłaby jedynie szklanka wody.
„Teraz czipy są tak bezpieczne, że można wyrzucić je do lasu i grzyby je przerobią. Stały się tak bezpieczne jak nawóz” – zapewnia profesor Ma.
Masowa produkcja już niedługo?
Ma nieco studzi emocje: – „Produkcja masowa obecnych czipów półprzewodnikowych jest tak tania, że to może zająć trochę czasu zanim przemysł zaadaptuje nasze rozwiązanie”. Zaraz potem dodaje: – „Ale jednak giętka elektronika to przyszłość.”
Szczegółowy opis tej technologii można przeczytać w artykule w ostatnim Nature Communications.
