Учените демонстрират биоразградима платка

Отпечатайте, рециклирайте, повторете: Учените представят биоразградима платка

Според ООН по-малко от една четвърт от всички електронни отпадъци в САЩ се рециклират. Само през 2021 г. глобалните електронни отпадъци скочиха до 57,4 милиона тона, от които само 17,4% бяха рециклирани.

Junpyo Kwon, докторант по научни изследвания в Xu Group в UC Berkeley, е на снимката, държаща рециклируема и биоразградима платка. Този пробив би могъл да отклони носимите устройства и друга гъвкава електроника от депата и да смекчи рисковете за здравето и околната среда, породени от отпадъците от тежки метали. Кредит: Мерилин Сарджънт/Лаборатория Бъркли

Някои експерти прогнозират, че нашият проблем с електронните отпадъци само ще се влошава с течение на времето, тъй като повечето електронни устройства на пазара днес са предназначени за преносимост, а не за рециклиране. Таблетите и четците например се сглобяват чрез свързване на схеми, чипове и твърди дискове към тънки слоеве пластмаса, които трябва да бъдат разтопени, за да се извлекат благородни метали като мед и злато. Изгарянето на пластмаса отделя токсични газове в атмосферата, а електронните устройства, които се разграждат в сметищата, често съдържат вредни материали като живак, олово и берилий.

Но сега екип от изследователи от Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Berkeley Lab) на Департамента по енергетика и UC Berkeley разработиха потенциално решение: напълно рециклируема и биоразградима платка. Изследователите, които докладваха за новото устройство в списанието Advanced Materials, казват, че напредъкът може да отклони носими устройства и друга гъвкава електроника от депата и да смекчи рисковете за здравето и околната среда, породени от отпадъците от тежки метали.

„Когато става въпрос за пластмасови електронни отпадъци, лесно е да се каже, че е невъзможно да се реши и да се отдалечи“, каза водещият автор Тинг Сю, старши изследовател в Отдела за наука за материалите на лабораторията Бъркли и професор по химия и наука за материалите и инженерство в UC Berkeley. „Но учените откриват все повече доказателства за значителни здравни и екологични проблеми, причинени от извличането на електронни отпадъци в почвата и подземните води. С това проучване ние показваме, че дори ако все още не можем да разрешим целия проблем, можем поне да се справим с проблема с възстановяването на тежки метали, без да замърсяваме околната среда.

Накарайте ензимите да работят

В предишно проучване Xu и неговият екип демонстрираха биоразградим пластмасов материал, вграден с пречистени ензими като Burkholderia cepacian lipase (BC-lipase). Чрез тази работа те откриха, че горещата вода активира BC-липаза, подтиквайки ензима да разгражда полимерните вериги на мономерни градивни елементи. Те също научиха, че BC-липазата е придирчив “ядец”. Преди липаза да може да преобразува полимерна верига в мономери, тя първо трябва да хване края на полимерна верига. Чрез контролиране кога липазата намира края на веригата, е възможно да се гарантира, че материалите няма да се разградят, докато водата достигне определена температура.

За настоящото проучване Xu и неговият екип опростиха процеса още повече. Вместо скъпи пречистени ензими, биоразградимите платки разчитат на по-евтини, готови за употреба „коктейли“ от липаза BC. Това значително намалява разходите, което улеснява навлизането на печатната платка в масово производство, каза Xu.

По този начин изследователите усъвършенстваха технологията, позволявайки им да разработят „проводящо мастило“ за печат, съставено от биоразградими полиестерни свързващи вещества, проводими пълнители като сребърни люспи или сажди и ензимни коктейли, налични в търговията. Мастилото получава своята електрическа проводимост от частици сребро или сажди, а биоразградимите полиестерни свързващи вещества действат като лепило.

Изследователите предоставиха комерсиален 3D принтер с проводимо мастило за отпечатване на схеми на вериги върху различни повърхности като твърда биоразградима пластмаса, гъвкава биоразградима пластмаса и плат. Това доказа, че мастилото се придържа към различни материали и образува интегрирано устройство, след като мастилото изсъхне.

За да тестват нейния срок на годност и издръжливост, изследователите съхраняват платка в лабораторно чекмедже без контрол на влажността или температурата в продължение на седем месеца. След като извадиха веригата от хранилището, изследователите приложиха постоянно напрежение към устройството за един месец и установиха, че веригата провежда електричество, както и преди съхранението.

След това изследователите тестваха рециклируемостта на устройството, като го потопиха в хладка вода. В рамките на 72 часа материалите на веригата се разградиха до своите градивни елементи – сребърните частици се отделиха напълно от полимерните свързващи вещества и полимерите се разпаднаха на мономери за многократна употреба, позволявайки на изследователите лесно да възстановят металите без допълнителна обработка. В края на този експеримент те установиха, че приблизително 94% от сребърните частици могат да бъдат рециклирани и използвани повторно с подобна производителност на устройството.

Тази разградимост на веригата продължава след 30 дни работа изненада изследователите, което предполага, че ензимите са все още активни. „Бяхме изненадани, че ензимите „живееха“ толкова дълго. Ензимите не са предназначени да работят в електрическо поле“, каза Сю.

Xu приписва дълголетието на работещите ензими на молекулярната структура на биоразградимата пластмаса. В предишното си проучване изследователите научиха, че добавянето на ензимен протектор, наречен произволен хетерополимер или RHP, помага за диспергирането на ензимите в сместа в клъстери от няколко нанометра (милиардни от метъра). Това създава безопасно място в пластмасата, където ензимите да спят, докато не задействат.

Веригата също е обещаваща като трайна алтернатива на пластмасите за еднократна употреба, използвани в преходна електроника – устройства като биомедицински импланти или сензори за околната среда, които се разпадат за определен период от време, каза авторът. Директор Junpyo Kwon, който притежава докторска степен. Студент по научни изследвания на Xu Group в UC Berkeley.

Сега, след като демонстрираха биоразградима и рециклируема платка, Xu иска да демонстрира микрочип, който може да бъде отпечатан, рециклиран и биоразградим.

„Предвид сегашната сложност на чиповете, това със сигурност няма да е лесно. Но трябва да се опитаме да дадем най-доброто от нашето ниво“, каза тя.

Тази работа беше подкрепена от Службата за наука на DOE. Допълнително финансиране беше осигурено от Министерството на отбраната на САЩ, Службата за армейски изследвания.

Технологията е достъпна за лицензиране чрез UC Berkeley Technology Licensing Office.

Add Comment