Obsesi global kami dengan elektronik pengguna yang tidak berkesudahan cepat mengakibatkan masalah sampah global yang besar. Sebanyak 50 juta metrik tan telefon pintar kami yang lama, PC, TV dan peranti lain dibuang tahun lepas memihak kepada perkara baru yang akan datang.
Tetapi para penyelidik di University of Wisconsin-Madison telah mengembangkan cara yang mengejutkan untuk melemparkan telefon pintar dan tablet masa depan lebih mudah ke atas alam sekitar dan hati nurani. Mereka menggantikan sebahagian besar bahan toksik dan bukan biodegradable dalam mikropemproses moden dengan kayu.
Kajian ini dilakukan dengan kerjasama Jabatan Laboratorium Produk Hutan Pertanian AS dan terperinci dalam makalah yang diterbitkan baru-baru ini dalam Komunikasi Alam .
Secara khusus, kaedah penyelidik menggantikan bahan yang tegar atau bahan substrat dalam cip telefon pintar dan tablet, selalunya terdiri daripada arsenide gabungan galium arsenik, dengan selulosa nanofibril (CNF). CNF adalah bahan fleksibel, telus yang dibuat dengan memecahkan dinding sel kayu ke skala nano dan membentuknya ke dalam kertas, sama seperti kertas.
Transistor kecil dan komponen lain pada cip pasukan masih diperbuat daripada logam dan bahan lain yang berpotensi toksik. Tetapi jumlah bahan-bahan yang digunakan begitu kecil yang menyebabkan penyelidik utama dan profesor kejuruteraan elektrik dan komputer UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma berkata cip boleh dimakan oleh kulat dan menjadi "selamat sebagai baja."
Sudah tentu, CNF berasaskan kayu tidak mempunyai ciri-ciri yang sama seperti bahan petroleum atau logam yang lebih biasa digunakan sebagai substrat dalam cip mudah alih. Seperti mana-mana bahan berasaskan kayu, CNF mempunyai kecenderungan untuk menarik kelembapan dan memperluaskan dan mengikat dengan perubahan suhu-kedua-dua masalah utama untuk mikrocip kelembapan yang dikemas ketat. Untuk membuat bahan yang lebih sesuai untuk digunakan dalam elektronik, Zhiyong Cai di Jabatan Pertanian AS dan Shaoqin "Sarah" Gong di UW-Madison bekerjasama untuk mencipta salutan epoksi biodegradable, yang menyimpan bahan daripada menarik air dan berkembang. Ia juga menjadikan bahan halus, harta penting bagi bahan yang digunakan untuk membina cip kecil. Ma berkata jumlah epoksi yang digunakan bergantung pada berapa lama keperluan cip itu akan bertahan. Menggunakan kurang epoksi juga bermakna kulat boleh memecahkan cip dengan lebih cepat, tetapi Ma mengatakan kulat akan sentiasa melalui jalannya epoksi.
Seperti gallium arsenide, CNF juga perlu mempunyai kehilangan tenaga frekuensi radio yang rendah, jadi isyarat tanpa wayar yang dihantar dan diterima oleh cip tidak akan terdegradasi atau disekat. "Kumpulan kami melakukan ujian kehilangan tenaga frekuensi radio, " kata Ma, "dan kami mendapati, oh cool, semuanya kelihatan baik."
Sekali para penyelidik yakin bahan tersebut adalah pengganti yang sesuai, langkah seterusnya adalah mencari cara untuk membuang gali arsenide sebanyak mungkin dan menggantikannya dengan CNF. Untuk itu, Ma meminjam teknik dari beberapa karya lain yang mereka bentuk elektronik fleksibel.
"Apabila kami melakukan elektronik yang fleksibel, kami mengupas lapisan nipis silikon atau gallium arsenide yang sangat nipis, dan substrat [bahan di bawahnya] dapat diselamatkan, " kata Ma. "Jadi mengapa kita tidak melakukan perkara yang sama dan mengupas satu lapisan substrat asal dan meletakkannya pada CNF, substrat berasaskan kayu ini."
Arsenide Gallium digunakan dalam telefon sebagai substrat, bukannya silikon yang biasa di pemproses komputer, kerana ia mempunyai sifat yang lebih baik untuk menghantar isyarat dalam jarak jauh-seperti menara telefon bimbit. Tetapi Ma berkata walaupun isu-isu alam sekitar dan kelangkaan dengan galium arsenide (ia adalah bahan yang jarang), tiada siapa yang telah mencipta transistor jenis-nipis atau litar daripada bahan, dan teknik-teknik yang sedia ada menggunakan lebih banyak bahan yang berpotensi toksik daripada perlu.
Sejumlah 10 transistor diperlukan untuk beberapa jenis cip, dan teknik yang mereka usahakan membolehkan lebih banyak daripada yang dicipta dalam kawasan 4-milimeter-5 milimeter. "Sebenarnya, kita boleh membina beribu-ribu transistor dari kawasan itu, dan hanya memindahkan transistor ke substrat kayu, " kata Ma. "Bahan CNF ini sangat baik dan tiada siapa yang pernah mencuba aplikasi frekuensi tinggi dengannya."
Sudah tentu terdapat bahan-bahan lain yang berpotensi toksik dalam elektronik mudah alih, termasuk bateri, dan cangkerang kaca, logam dan plastik peranti tersebut membentuk sebahagian besar e-waste. Tetapi kemajuan dalam plastik mesra alam dan kerja baru-baru ini menggunakan serat kayu untuk membuat bateri tiga dimensi menawarkan harapan bahawa kami mungkin suatu hari merasa lebih baik mengganti peranti penuaan kami.
Cabaran sebenar, bagaimanapun, mungkin akan mendapat tumbuh-tumbuhan fabrikasi besar-besaran, dan syarikat-syarikat yang mempekerjakan atau memiliki mereka, untuk beralih ke yang lebih baru, kaedah yang lebih ramah lingkungan ketika teknik-teknik yang sekarang sangat murah. Walau bagaimanapun, apabila menaikkan kos CNF daripada kayu boleh diperbaharui, ia juga murah, membantu menarik pembuat peranti untuk beralih dari substrat yang lebih tradisional. Lagipun, kayu berlimpah, dan tidak perlu dilombong dari tanah seperti gallium. Sejarah hampir dua milenium kertas berasaskan kayu juga harus membantu mengekalkan kos membuat CNF rendah. "Proses kerosakan kayu ditubuhkan dengan baik, " kata Ma.
Sifat CNF yang lasak akan menjadikannya sesuai untuk bidang elektronik yang fleksibel. Tetapi Ma memberi amaran bahawa kemunculan peranti fleksibel, dpt dipakai, murah boleh juga meningkatkan jumlah e-waste dalam masa depan yang tidak terlalu jauh.
"Kami berada di cakrawala kedatangan elektronik fleksibel, " kata Ma. "Jumlah alat elektronik fleksibel akan menjadi lebih daripada sekadar satu telefon dan satu tablet atau komputer riba. Kami mungkin akan mempunyai sepuluh PC. "
Ma berharap jumlah potensi e-sisa yang dijana oleh semua peranti ini digabungkan dengan jumlah bahan jarang-galium arsenide dan lain-lain-yang boleh diselamatkan dengan menggunakan bahan berasaskan kayu dalam elektronik akhirnya akan menjadikan kedua-dua pengertian kewangan dan alam sekitar.
