La nostra ossessione globale per l'elettronica di consumo effimera sta rapidamente provocando un enorme problema di immondizia globale. Circa 50 milioni di tonnellate dei nostri vecchi smartphone, PC, TV e altri dispositivi sono stati scartati l'anno scorso a favore della prossima novità.
Ma i ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato un modo sorprendente per semplificare il lancio di smartphone e tablet futuri sull'ambiente e sulla coscienza. Stanno sostituendo la maggior parte dei materiali tossici e non biodegradabili nei moderni microprocessori con il legno.
La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Dipartimento dei prodotti forestali del laboratorio agricolo degli Stati Uniti ed è dettagliata in un documento pubblicato di recente in Nature Communications .
In particolare, il metodo dei ricercatori sostituisce la base rigida o il materiale di substrato nei chip di smartphone e tablet, spesso costituito dall'arsenico di gallio composto contenente arsenico, con nanofibrilla di cellulosa (CNF). CNF è un materiale flessibile e trasparente realizzato abbattendo le pareti cellulari del legno su scala nanometrica e formandolo in fogli, proprio come la carta.
I minuscoli transistor e altri componenti sui chip del team sono ancora fatti di metalli e altri materiali potenzialmente tossici. Ma la quantità di quei materiali utilizzati è così piccola che il ricercatore capo e il professore di ingegneria elettrica e informatica UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma afferma che i chip possono essere consumati dai funghi e diventare "sicuri come i fertilizzanti".
Naturalmente, il CNF a base di legno non ha le stesse caratteristiche dei materiali a base di petrolio o metallo più comunemente usati come substrati nei trucioli mobili. Come qualsiasi materiale a base di legno, CNF ha la tendenza ad attirare l'umidità, ad espandersi e a contrarsi con i cambiamenti di temperatura, entrambi i principali problemi per i microchip strettamente imballati e avversi all'umidità. Per rendere il materiale più adatto all'uso nell'elettronica, Zhiyong Cai del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti e Shaoqin "Sarah" Gong di UW-Madison hanno lavorato insieme per creare un rivestimento epossidico biodegradabile, che impedisce al materiale di attirare acqua ed espandersi. Inoltre, rende il materiale più liscio, una proprietà importante per un materiale utilizzato per costruire piccoli trucioli. Ma dice che la quantità di resina epossidica utilizzata dipende da quanto tempo deve durare il chip. L'uso di una quantità inferiore di resina epossidica significa anche che i funghi possono scomporre il chip più rapidamente, ma Ma dice che alla fine i funghi si faranno sempre strada attraverso la resina epossidica.
Come l'arseniuro di gallio, anche il CNF deve avere una bassa perdita di energia in radiofrequenza, quindi i segnali wireless trasmessi e ricevuti dal chip non verranno degradati o bloccati. "Il nostro gruppo ha fatto il test di perdita di energia in radiofrequenza", dice Ma, "e abbiamo scoperto, oh, tutto sembra a posto"
Una volta che i ricercatori erano sicuri che il materiale fosse un sostituto praticabile, il passo successivo era capire come rimuovere il più possibile arsenuro di gallio da un chip e sostituirlo con CNF. Per questo, Ma prese in prestito una tecnica da alcuni dei suoi altri lavori per la progettazione di elettronica flessibile.
"Quando facciamo l'elettronica flessibile, stacciamo uno strato molto sottile di silicio o di arsenuro di gallio e il substrato [materiale sottostante] può essere salvato", afferma Ma. "Allora perché non facciamo semplicemente la stessa cosa e stacciamo un singolo strato del substrato originale e lo mettiamo su CNF, questo substrato a base di legno."
L'arsenuro di gallio è usato nei telefoni come substrato, piuttosto che il silicio che è comune nei processori per computer, perché ha proprietà molto migliori per la trasmissione di segnali su lunghe distanze, come le torri dei telefoni cellulari. Ma Ma dice che nonostante i problemi ambientali e di scarsità con l'arseniuro di gallio (è un materiale raro), nessuno aveva creato un transistor o un circuito a film sottile dal materiale e le tecniche esistenti utilizzavano più sostanze potenzialmente tossiche di necessario.
Sono necessari solo 10 transistor per alcuni tipi di chip e la tecnica che hanno sviluppato consente di crearne molti di più in un'area di 4 millimetri per 5 millimetri. "In realtà, possiamo costruire migliaia di transistor fuori da quell'area e spostare questi transistor sul substrato di legno", afferma Ma. "Questo materiale CNF è sorprendentemente buono e nessuno ha mai provato applicazioni ad alta frequenza con esso."
Naturalmente, ci sono altri materiali potenzialmente tossici nell'elettronica portatile, comprese le batterie, e le coperture in vetro, metallo e plastica dei dispositivi costituiscono la maggior parte dei rifiuti elettronici. Ma i progressi nella plastica ecologica e il recente lavoro che utilizza le fibre di legno per creare batterie tridimensionali offrono la speranza che un giorno potremmo sentirci meglio sulla sostituzione dei nostri dispositivi di invecchiamento.
La vera sfida, tuttavia, sarà probabilmente quella di ottenere enormi impianti di fabbricazione di trucioli e le aziende che li impiegano o li possiedono, per passare a metodi più nuovi ed ecologici quando le attuali tecniche sono così economiche. Se ridimensionato, tuttavia, i costi per la creazione di CNF da legno rinnovabile dovrebbero essere anche economici, aiutando i produttori di dispositivi a passare da substrati più tradizionali. Dopotutto, il legno è abbondante e non ha bisogno di essere estratto da terra come il gallio. La storia di quasi due millenni della carta a base di legno dovrebbe anche aiutare a mantenere bassi i costi di produzione del CNF. "Il processo di demolizione del legno è ben definito", afferma Ma.
La natura flessibile di CNF lo renderà adatto al settore emergente dei dispositivi elettronici flessibili. Ma Ma avverte che l'emergere di dispositivi flessibili, indossabili ea basso costo probabilmente aumenterà in modo sostanziale la quantità di rifiuti elettronici in un futuro non troppo lontano.
"Siamo all'orizzonte dell'arrivo dell'elettronica flessibile", afferma Ma. "Il numero di gadget elettronici flessibili sarà molto più di un solo telefono e un tablet o laptop. Probabilmente avremo dieci PC. "
Ma spera che la quantità di potenziali rifiuti elettronici generati da tutti questi dispositivi combinati con la quantità di materiali rari - l'arseniuro di gallio e altri - che possono essere salvati utilizzando materiali a base di legno nell'elettronica alla fine avrà senso sia dal punto di vista finanziario che ambientale.
