Forskere demonstrerer teknik til genbrug af nanotråde i elektronik

Forskere ved North Carolina State University har demonstreret en billig teknik til at hente nanotråde fra elektroniske enheder, der har nået slutningen af ​​deres nytte, og derefter bruge disse nanotråde i nye enheder. Arbejdet er et skridt mod mere bæredygtig elektronik.

"Der er stor interesse for genanvendelse af elektroniske materialer, fordi vi både ønsker at reducere elektronisk affald og maksimere den brug, vi får ud af sjældne eller dyre materialer, " siger Yuxuan Liu, førsteforfatter til et papir om værket og en ph.d. studerende ved NC State. "Vi har demonstreret en tilgang, der giver os mulighed for at genbruge nanotråde, og som vi mener kunne udvides til andre nanomaterialer - inklusive nanomaterialer, der indeholder ædle og sjældne jordarters elementer."

"Vores genbrugsteknik adskiller sig fra konventionel genbrug, " siger Yong Zhu, tilsvarende forfatter af papiret og Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering ved NC State. "Når du tænker på at genbruge en glasflaske, det er helt smeltet ned, før det bruges til at skabe endnu et glasobjekt. I vores tilgang, et sølv nanowire-netværk er adskilt fra resten af ​​materialerne i en enhed. Det netværk skilles derefter ad i en samling af separate sølv nanotråde i opløsning. Disse nanotråde kan derefter bruges til at skabe et nyt netværk og indarbejdes i en ny sensor eller andre enheder."

Den nye genbrugsteknik tager højde for hele enhedens livscyklus. Det første trin er at designe enheder, der bruger polymerer, der er opløselige i opløsningsmidler, der ikke også opløser nanotrådene. Når en enhed er blevet brugt, polymermatrixen, der indeholder sølv nanotrådene, er opløst, efterlader nanowire-netværket. Netværket placeres derefter i et separat opløsningsmiddel og rammes med ultralyd. Dette spreder nanotrådene, adskille dem fra netværket.

I en proof-of-concept demonstration, forskerne skabte et bærbart sundhedssensorplaster, der kunne bruges til at spore en patients temperatur og hydrering. Sensoren bestod af sølv nanowire-netværk indlejret i et polymermateriale. Forskerne testede sensorerne for at sikre, at de var fuldt funktionsdygtige. Når den er brugt, et sensorplaster kasseres normalt.

Men for deres demonstration, forskerne opløste polymeren i vand, fjernede nanowire-netværket, brød det ned i en samling af individuelle nanotråde, og brugte derefter disse nanotråde til at skabe en helt ny bærbar sensor. Mens der var mindre forringelse af egenskaberne af nanowire-netværket efter hver "livscyklus, " fandt forskerne ud af, at nanotrådene kunne genbruges fire gange uden at skade sensorens ydeevne.

Efter fire livscyklusser, nanotrådsnetværkets ydeevne kan forbedres ved at introducere nye sølv nanotråde i blandingen.

"Ved at bruge vores tilgang, du får langt mere brug af nanotrådene, " siger Zhu. "Og selv efter at nanotrådene er brudt sammen mange gange, til det punkt, hvor de ikke kan genbruges, vi kan stadig bruge dem som råmateriale til konventionel genbrug. Det er en enorm reduktion af spild."

En nøgle til genbrugsprocessen er at identificere et opløsningsmiddel med en lav overfladespænding til brug til at bryde op på nanotrådsnetværket.

"Lav overfladespænding er vigtig, fordi det gør det lettere for opløsningsmidlet at diffundere ind i de smalle forbindelser mellem nanotråde i netværket, lette adskillelsen af ​​netværket, " siger Liu.

Forskerne fandt ud af, at det også er vigtigt at finde den rette tidsbalance, når man bryder nanowire-netværkene op med ultralyd. Hvis du anvender ultralyd for længe, du kan bryde nanotrådene. Hvis du ikke anvender ultralyden længe nok, du kan ende med klumper af nanotråde.

"Den tilgang, vi har demonstreret her, kunne bruges til at genbruge andre nanomaterialer - såsom nanopartikler, kulstof nanorør, andre typer nanotråde, og todimensionelle materialer - så længe de bruges i form af et netværk, " siger Zhu.

Papiret, "Genbrug af Nanowire Percolation Network til bæredygtig blød elektronik, " er publiceret i tidsskriftet Advanced Electronic Materials. Artiklen var medforfatter af Hongyu Wang, en ph.d. studerende ved NC State.