Производство печатных плат из листьев сделает электронику более экологичной

В буквальном смысле зеленого технологического прогресса группа исследователей нашла способ заменить обычную печатную плату (ПП) в электронных устройствах биоразлагаемой альтернативой, сделанной из листьев деревьев. Ранее в Science Advances сообщалось, что такая «листотроника» может помочь сократить десятки миллионов тонн электронных отходов, или e-отходов, которые человечество производит каждый год.

«Идея очень интересная» и «весьма многообещающая», — говорит Лань Инь, материаловед и инженер из Университета Цинхуа, который работает над разработкой биоразлагаемой электроники, но не принимал участия в исследовании.

Электронные отходы повсюду и быстро накапливаются. В 2022 году производители произвели 62 миллиона тонн электронных отходов по всему миру. И ожидается, что эта цифра увеличится более чем на 30% к 2030 году, поскольку современная электроника разрабатывается как одноразовая, говорит Ракеш Наир, научный сотрудник и инженер Института прикладной физики Дрезденского технического университета (TU Dresden). «Мы можем легко производить электронику, которая прослужит 10, 20, 30 лет, но мы намеренно делаем ее так, чтобы вы покупали новую модель», — говорит Наир.

По массе печатные платы — панели, к которым крепятся электронные компоненты — составляют до 60% электронных отходов. Печатные платы обычно изготавливаются из чрезвычайно прочного пластика или стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой, неперерабатываемой подложки, которая является «ядром проблемы», — говорит Ганс Клееманн, экспериментальный физик из Технического университета Дрездена и научный руководитель Наира. «Это действительно мешает вам заниматься всеми этими важными вещами, такими как переработка и повторное использование компонентов». Поэтому Клееманн, Наир и коллеги отправились на поиски более экологичной альтернативы.

Сначала Наир думал использовать бумагу для досок, но его отговорило количество воды и загрязняющих веществ, необходимых для производства бумаги. Однажды, глядя на большое дерево магнолии около своего института, «он просто щелкнул»: он мог бы использовать вместо этого ее листья.

Биоразлагаемые, но достаточно прочные, чтобы выдерживать ураганы, листья черпают свою силу из своего «скелета» — сильно разветвленной сети тонких жилок из древесного соединения, называемого лигноцеллюлозой. Чтобы превратить лист магнолии в материал для печатной платы, Наир сначала разобрал его до скелета, химически удалив клетки листа. Затем он заполнил отверстия скелета этилцеллюлозой, прочным биоразлагаемым полимером. Полученная гибкая плата выдерживала все виды процессов производства электроники, включая резку форм на платах лазерами, печать схем поверх них с помощью коммерческих серебряных чернил и пайку компонентов на них.

Наир даже поместил лист в современную машину физического осаждения из паровой фазы и наложил слои материала, чтобы сделать органические светодиоды, в результате чего получился светящийся листотрон. Наир говорит, что рассказал Клееманну об этом тесте только после его успеха, потому что было возможно, что он мог повредить дорогостоящую машину.

Leaftronics от Nair не только хорошо работают, но и хорошо ломаются. Команда смогла удалить дорогие металлы и компоненты схемы, поместив leaftronics в ультразвуковую кислотную ванну. Сами платы начали разрушаться всего через месяц в компостной куче.

Исследователи подсчитали, что Leaftronics также генерирует гораздо меньше выбросов во время производства, чем обычные платы. В конечном итоге Наир представляет себе завод по производству и переработке электроники, расположенный рядом с лесной фермой, чтобы листья можно было собирать экологически чистым способом, превращать в leaftronics, а затем перерабатывать (схемы) или разлагать и использовать в качестве топлива (листья). «Ничего не пропадает зря», — говорит он.

«Это значимый шаг» к устойчивой электронике, говорит Клара Сантато, физико-химик из Монреальского политехнического института, изучающая устойчивую органическую электронику. Большинство исследователей в области зеленой электроники ищут альтернативы редким и дорогим материалам, используемым в электронных схемах, поэтому Сантато приветствует Наира и команду за то, что они вместо этого сосредоточились на базовой плате. Однако она отмечает, что одной технологии будет недостаточно для решения проблем устойчивости электронной промышленности. «Глобальная проблема не имеет единственного ответа», — говорит она.

Как и в случае с любой начинающей технологией, самой большой проблемой, скорее всего, станет убеждение производителей электроники принять leaftronics. Хотя материалы хорошо себя зарекомендовали в лабораторных испытаниях, этого может быть недостаточно, чтобы побудить производителей перейти на них. Из-за своей биоразлагаемости leaftronics также, скорее всего, не будет соответствовать определенным отраслевым стандартам.

Текущие материалы для печатных плат практически не имеют себе равных с точки зрения прочности, и они являются эталоном для текущих правил, касающихся электронных компонентов, отмечает Клееман. «Возможно, регуляторы должны снизить барьер на стабильность на 5%, чтобы позволить нам выйти на этот рынок», — говорит он. «Это больше касается готовности отрасли к изменениям, потому что им нужно идти на компромисс».