Udskriv, genbrug, gentag:Forskere demonstrerer et biologisk nedbrydeligt trykt kredsløb

Ifølge FN bliver mindre end en fjerdedel af alt amerikansk elektronisk affald genanvendt. Alene i 2021 steg det globale e-affald med 57,5 ​​millioner tons, og kun 17,4% af det blev genanvendt.

Nogle eksperter forudser, at vores e-affaldsproblem kun vil blive værre med tiden, fordi det meste af elektronik på markedet i dag er designet til bærbarhed, ikke genanvendelighed. Tabletter og læsere samles for eksempel ved at lime kredsløb, chips og harddiske til tynde lag plastik, som skal smeltes for at udvinde ædelmetaller som kobber og guld. Afbrænding af plastik frigiver giftige gasser til atmosfæren, og elektronik, der spildes væk på lossepladsen, indeholder ofte skadelige materialer som kviksølv, bly og beryllium.

Men nu har et team af forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley udviklet en potentiel løsning:et fuldt genanvendeligt og bionedbrydeligt trykt kredsløb. Forskerne, der rapporterede den nye enhed i tidsskriftet Advanced Materials , siger, at fremskridtet kunne aflede bærbare enheder og anden fleksibel elektronik fra losseplads og mindske de sundheds- og miljømæssige risici, som tungmetalaffald udgør.

"Når det kommer til e-affald af plastik, er det nemt at sige, at det er umuligt at løse og gå væk," siger seniorforfatter Ting Xu, en seniorforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i kemi og materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. "Men forskerne finder flere beviser for betydelige sundheds- og miljøproblemer forårsaget af e-affaldsudvaskning i jorden og grundvandet. Med denne undersøgelse viser vi, at selvom du ikke kan løse hele problemet endnu, kan du i det mindste tackle problemet med at genvinde tungmetaller uden at forurene miljøet."

At sætte enzymer i gang

I en tidligere Natur undersøgelse viste Xu og hendes team et bionedbrydeligt plastmateriale indlejret med oprensede enzymer såsom Burkholderia cepacian lipase (BC-lipase). Gennem det arbejde opdagede de, at varmt vand aktiverer BC-lipase, hvilket får enzymet til at nedbryde polymerkæder til monomerbyggesten. De lærte også, at BC-lipase er en kræsen "spiser". Før en lipase kan omdanne en polymerkæde til monomerer, skal den først fange enden af ​​en polymerkæde. Ved at kontrollere, hvornår lipasen finder kædeenden, er det muligt at sikre, at materialerne ikke nedbrydes, før vandet når en vis temperatur.

For den aktuelle undersøgelse forenklede Xu og hendes team processen endnu mere. I stedet for dyre oprensede enzymer er de bionedbrydelige trykte kredsløb afhængige af billigere, hyldeklare BC-lipase-"cocktails". Dette reducerer omkostningerne betydeligt, hvilket letter det trykte kredsløbs indtræden i masseproduktion, sagde Xu.

Ved at gøre det avancerede forskerne teknologien, hvilket gjorde dem i stand til at udvikle en printbar "ledende blæk" sammensat af biologisk nedbrydelige polyesterbindere, ledende fyldstoffer såsom sølvflager eller kønrøg og kommercielt tilgængelige enzymcocktails. Blækket får sin elektriske ledningsevne fra sølv- eller carbon black-partiklerne, og de biologisk nedbrydelige polyesterbindere fungerer som en lim.

Forskerne leverede en kommerciel 3D-printer med den ledende blæk til at printe kredsløbsmønstre på forskellige overflader såsom hård bionedbrydelig plast, fleksibel bionedbrydelig plast og klud. Dette beviste, at blækket klæber til en række forskellige materialer og danner en integreret enhed, når blækket tørrer.

For at teste dets holdbarhed og holdbarhed opbevarede forskerne et trykt kredsløb i en laboratorieskuffe uden kontrolleret luftfugtighed eller temperatur i syv måneder. Efter at have trukket kredsløbet fra lageret, påførte forskerne kontinuerlig elektrisk spænding på enheden i en måned og fandt ud af, at kredsløbet førte elektricitet lige så godt, som det gjorde før opbevaring.

Dernæst testede forskerne enhedens genanvendelighed ved at nedsænke den i varmt vand. Inden for 72 timer blev kredsløbsmaterialerne nedbrudt til dets bestanddele - sølvpartiklerne adskiltes fuldstændigt fra polymerbindemidlerne, og polymererne brød ned til genanvendelige monomerer, hvilket gjorde det muligt for forskerne nemt at genvinde metallerne uden yderligere forarbejdning. Ved afslutningen af ​​dette eksperiment fandt de ud af, at ca. 94 % af sølvpartiklerne kan genbruges og genbruges med lignende enhedsydelse.

At kredsløbets nedbrydelighed fortsatte efter 30 dages drift overraskede forskerne, hvilket tydede på, at enzymerne stadig var aktive. "Vi var overraskede over, at enzymerne 'levede' så længe. Enzymer er ikke designet til at arbejde i et elektrisk felt," sagde Xu.

Xu tilskriver de arbejdende enzymers levetid til den biologisk nedbrydelige plasts molekylære struktur. I deres tidligere undersøgelse lærte forskerne, at tilsætning af et enzymbeskyttende middel kaldet random heteropolymer, eller RHP, hjælper med at sprede enzymerne i blandingen i klynger på få nanometer (milliarddele af en meter) i størrelse. Dette skaber et sikkert sted i plastikken, hvor enzymer kan ligge i dvale, indtil de bliver kaldt til handling.

Kredsløbet viser også lovende som et bæredygtigt alternativ til engangsplastik brugt i transient elektronik - enheder såsom biomedicinske implantater eller miljøsensorer, der går i opløsning over en periode, sagde hovedforfatter Junpyo Kwon, en Ph.D. studerende forsker fra Xu Group ved UC Berkeley.

Nu hvor de har demonstreret et bionedbrydeligt og genanvendeligt trykt kredsløb, ønsker Xu at demonstrere en printbar, genanvendelig og bionedbrydelig mikrochip.

"I betragtning af hvor sofistikerede chips er i dag, vil dette bestemt ikke være let. Men vi er nødt til at prøve at yde vores bedste niveau," sagde hun. + Udforsk yderligere

Ny proces gør 'biologisk nedbrydelig' plast virkelig komposterbar