لا مزيد من المواد الكيميائية السامة – أول إلكترونيات مطبوعة قابلة لإعادة التدوير في العالم بالكامل
يشير العرض التوضيحي الأول من نوعه إلى إمكانية تحقيق مستقبل أكثر اخضرارًا لقطاع الإلكترونيات.
ابتكر مهندسو جامعة ديوك أول إلكترونيات مطبوعة في العالم يمكن إعادة تدويرها بالكامل. يحل حلهم المبتكر محل استخدام المواد الكيميائية الضارة بالماء أثناء عملية التصنيع، مما يقلل من التأثير البيئي والمخاطر الصحية المحتملة المرتبطة باستخدام المواد الكيميائية الخطرة. يفتح هذا العرض التوضيحي طريقًا جديدًا للصناعة لاتباعه في تقليل بصمتها البيئية والصحية.
نُشر البحث مؤخرًا في مجلة Nano Letters .
تتمثل إحدى العقبات الرئيسية التي يواجهها مصنعو الإلكترونيات في تأمين عدة طبقات من المكونات فوق بعضها البعض بنجاح، وهو أمر بالغ الأهمية لإنتاج الأجهزة المتطورة. قد تكون هذه مهمة صعبة، خاصة بالنسبة للإلكترونيات المطبوعة، حيث غالبًا ما يكون ضمان الالتصاق المناسب للطبقات مصدرًا للإحباط.
أوضح آرون فرانكلين، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة ديوك، الذي قاد الدراسة: “إذا كنت تصنع شطيرة من زبدة الفول السوداني والمربى، فإن طبقة واحدة على أي شريحة من الخبز تكون سهلة”. “ولكن إذا وضعت الجيلي أولًا ثم حاولت نشر زبدة الفول السوداني فوقه، انس الأمر، فلن يبقى الهلام في مكانه وسيختلط مع زبدة الفول السوداني. إن وضع الطبقات فوق بعضها ليس سهلاً مثل وضعها في الأسفل من تلقاء نفسها – ولكن هذا ما عليك فعله إذا كنت تريد إنشاء أجهزة إلكترونية باستخدام الطباعة “.
في العمل السابق، أظهر فرانكلين ومجموعته أول إلكترونيات مطبوعة قابلة لإعادة التدوير بالكامل. استخدمت الأجهزة ثلاثة أحبار كربونية: الأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة، والجرافين الموصل، والنانوسليلوز العازل. في محاولة لتكييف العملية الأصلية لاستخدام الماء فقط، شكلت الأنابيب النانوية الكربونية التحدي الأكبر.
تضع الطابعة النافثة للحبر طبقات من الأحبار الإلكترونية القائمة على الكربون لإنشاء ترانزستورات يمكن إعادة تدويرها بالكامل باستخدام الماء فقط، بدلاً من طلب مواد كيميائية قاسية وسامة. الائتمان: جيسون آرثرز فوتوغرافي
لعمل حبر قائم على الماء لا تتجمع فيه الأنابيب النانوية الكربونية معًا وتنتشر بالتساوي على السطح، تتم إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي تشبه المنظفات. ومع ذلك، فإن الحبر الناتج لا يُنشئ طبقة من الأنابيب النانوية الكربونية كثيفة بما يكفي لسير تيار عالٍ من الإلكترونات عبرها.
قال فرانكلين: “أنت تريد أن تبدو الأنابيب النانوية الكربونية مثل السباغيتي المتناثرة على سطح مستوٍ”. “ولكن باستخدام الحبر المائي، يبدو أنهم قد تم التقاطهم واحدة تلو الأخرى وإلقائهم على الحائط للتحقق من نضجها. إذا كنا نستخدم مواد كيميائية، فيمكننا فقط طباعة عدة ممرات مرارًا وتكرارًا حتى يتوفر عدد كافٍ من الأنابيب النانوية. لكن الماء لا يعمل بهذه الطريقة. يمكننا القيام بذلك 100 مرة وسيظل هناك نفس كثافة المرة الأولى “.
وذلك لأن المادة الخافضة للتوتر السطحي المستخدمة لمنع تكتل الأنابيب النانوية الكربونية تمنع أيضًا طبقات إضافية من الالتصاق بالأول. في عملية التصنيع التقليدية، ستتم إزالة هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي إما باستخدام درجات حرارة عالية جدًا، والتي تتطلب الكثير من الطاقة، أو المواد الكيميائية القاسية، والتي يمكن أن تشكل مخاطر على صحة الإنسان والبيئة. أراد فرانكلين ومجموعته تجنب كليهما.
في الورقة، طور فرانكلين ومجموعته عملية دورية يتم فيها شطف الجهاز بالماء، وتجفيفه في درجة حرارة منخفضة نسبيًا، ثم طباعته مرة أخرى. عندما يتم أيضًا ضبط كمية الفاعل بالسطح المستخدم في الحبر، أظهر الباحثون أن أحبارهم وعملياتهم يمكن أن تخلق ترانزستورات تعمل بكامل طاقتها، وقابلة لإعادة التدوير بالكامل، وقائمة على الماء بالكامل.
بالمقارنة مع المقاوم أو المكثف، فإن الترانزستور هو مكون كمبيوتر معقد نسبيًا يستخدم في أجهزة مثل التحكم في الطاقة أو الدوائر المنطقية وأجهزة الاستشعار. يوضح فرانكلين أنه من خلال إظهار الترانزستور أولاً، فإنه يأمل في الإشارة إلى بقية المجال بأن هناك مسارًا قابلاً للتطبيق نحو جعل بعض عمليات تصنيع الإلكترونيات أكثر صداقة للبيئة.
لقد أثبت فرانكلين بالفعل أن ما يقرب من 100٪ من الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين المستخدمة في الطباعة يمكن استعادتها وإعادة استخدامها في نفس العملية، مما يؤدي إلى فقدان القليل جدًا من المواد أو قابليتها للتطبيق. نظرًا لأن مادة النانوسليلوز مصنوعة من الخشب، فيمكن ببساطة إعادة تدويرها أو تحللها مثل الورق. وعلى الرغم من أن العملية تستخدم الكثير من الماء، إلا أنها لا تكاد تقارب ما هو مطلوب للتعامل مع المواد الكيميائية السامة المستخدمة في طرق التصنيع التقليدية.
وفقًا لتقديرات الأمم المتحدة، يتم إعادة تدوير أقل من ربع ملايين الأرطال من الإلكترونيات التي يتم التخلص منها كل عام. وستزداد المشكلة سوءًا مع ترقية العالم في النهاية إلى أجهزة 6G واستمرار توسّع إنترنت الأشياء (IoT). لذا فإن أي انبعاج يمكن إحداثه في هذا الجبل المتنامي من القمامة الإلكترونية من المهم متابعته.
بينما يجب القيام بالمزيد من العمل، يقول فرانكلين إنه يمكن استخدام هذا النهج في تصنيع مكونات إلكترونية أخرى مثل الشاشات والشاشات الموجودة الآن في كل مكان في المجتمع. تحتوي كل شاشة إلكترونية على لوحة معززة من الترانزستورات ذات الأغشية الرقيقة المشابهة لما هو موضح في الورقة. تقنية التصنيع الحالية عالية الطاقة وتعتمد على المواد الكيميائية الخطرة وكذلك الغازات السامة. تم وضع علامة على الصناعة بأكملها للحصول على اهتمام فوري من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية.
قال فرانكلين: “إن أداء ترانزستورات الأغشية الرقيقة لدينا لا يتطابق مع أفضل ترانزستورات الأغشية الرقيقة التي يتم تصنيعها حاليًا، لكنها قادرة على المنافسة بما يكفي لإظهار مجتمع البحث أنه ينبغي علينا جميعًا بذل المزيد من العمل لجعل هذه العمليات أكثر صداقة للبيئة”.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
