محققان با استفاده از نانوخوشه‌ها، جوهری ساختند که می‌تواند در تجزیه قطعات الکترونیکی و بازیافت مجدد آن‌ها نقش کلیدی داشته باشد.
نانوخوشه‌ها به ساخت قطعات الکترونیکی تجزیه‌پذیر کمک می‌کنند
وسایل الکترونیکی جزء جدایی‌ناپذیر جامعه مدرن هستند، اما زباله‌های الکترونیکی چالشی پیچیده و رو به رشد در مسیر اقتصاد بازیافتی بوده‌اند. اقتصاد بازیافتی سیستم اقتصادی پایدارتری است که بر بازیافت مواد و به حداقل رساندن ضایعات متمرکز است.
بیش از ۵۳ میلیون تن زباله الکترونیکی در هر سال تولید می‌شود، این رقم معادل دور انداختن ۱۰۰۰ لپ‌تاپ در هر ثانیه است. تنها ۲۰ درصد از این زباله‌های الکترونیکی بازیافت می‌شوند. بیشتر ۸۰ درصد باقی مانده به محل دفن زباله ختم می‌شود که به احتمال زیاد به یک مشکل زیست محیطی تبدیل خواهد شد.
تا همین اواخر، بازیافت‌پذیری دستگاه‌های الکترونیکی نقشی در طراحی آن‌ها نداشته است و روش‌های بازیافت موجود منجر به آلودگی ثانویه و بازیابی اجزای گران‌بها می‌شود. در حال حاضر، بازیافت زباله‌های الکترونیکی مستلزم کار دستی زیادی با سنگ‌شکن‌های مکانیکی و حمام‌های شیمیایی گران قیمت برای استخراج فلزات سنگین است که می‌تواند مشکلات بهداشتی و زیست محیطی قابل توجهی ایجاد کند.
یک راه حل می‌تواند «الکترونیک فیزیکی گذرا» باشد. هدف صنعت الکترونیک همیشه ساخت دستگاه‌های بادوام با عملکرد پایدار بوده است که برای مدت بسیار طولانی دوام می‌آورد. با این حال، وسایل الکترونیکی گذرا و خود ویران شونده دقیقاً با هدف معکوس طراحی شده‌اند: حل شدن بی‌ضرر در محیط اطراف خود پس از عملکرد برای مدت زمان از پیش تعیین شده.
این دستگاه‌های الکترونیکی گذرا مانند وسایل الکترونیکی معمولی کار می‌کنند، تا زمانی که در معرض عوامل از پیش تعیین شده نظیر نور، گرما یا مایعات قرار گیرند که این کار باعث نابودی آن‌ها شود. این واکنش به محرک‌ها در لایه‌های حفاظتی دستگاه الکترونیکی مهندسی شده است.
یک فاجعه زیست محیطی حتی بزرگتر از زباله‌های الکترونیکی زباله‌های پلاستیکی هستند. نشان داده شده است که اتصال پلیمرها با آنزیم‌های خاص یک استراتژی موفق برای توسعه پلاستیک خود تخریب‌پذیر‌شونده است.
جونپیو کوون از محققان دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: «ما یک کوکتل آنزیمی (BC-Lipase) با هتروپلیمرهای تصادفی (RHP) را در کامپوزیت های نقره/پلی کاپرولاکتون (Ag/PCL) برای ایجاد جوهرهای الکترونیکی تجزیه پذیر ادغام کردیم.»
آنزیم‌های طراحی شده در این پروژه تجزیه هیدرولیتیک زنجیره‌های کامپوزیت های نقره/پلی کاپرولاکتون را در فیلم‌ها و مدارهای چاپی پس از غوطه‌ور شدن در آب گرم را کاتالیز می‌کنند. این پلیمریزاسیون آنزیمی به کمک هتروپلیمرهای تصادفی، جداسازی آسان اجزای الکترونیکی و بازیافت ذرات عملکردی را حتی پس از ماه‌ها نگهداری و استفاده در شرایط محیطی امکان‌پذیر می‌سازد.»
با ترکیب پرکننده‌های نقره رسانا، بایندر پلیمری زیست تخریب‌پذیر و آنزیم‌ها، محققان جوهر کامپوزیتی را فرموله کردند.
مدارهای الکترونیکی چاپ شده با این جوهر روی پلی استر تجزیه پذیر را می‌توان به سادگی با فرو بردن آن‌ها در آب گرم تجزیه کرد. سرعت تخریب و تاخیر را می توان با عملیات حرارتی برنامه ریزی کرد. پرکننده های نقره را می توان بدون افت عملکرد قابل مشاهده جمع آوری و استفاده مجدد کرد.
او می افزاید: «علاوه بر این، می‌توان از درجه حرارت و عملیات پس از حرارت برای تعدیل نرخ تخریب پلیمر پس از نوشتن مستقیم جوهر استفاده کرد. از آنجایی که آب گرم منبع اصلی تخریب و بازیافت است، رویکرد پیشنهادی پایدارتر و به طور بالقوه مقرون به صرفه‌تر از استفاده از حلال‌های آلی سمی و گران‌قیمت در بازیافت زباله‌های الکترونیکی ساخته شده از چند جزء است.»
وی می گوید: «مدارها پس از هفت‌ماه ذخیره و یک ماه کار مداوم تحت ولتاژ الکتریکی ۳ ولت در دمای اتاق بدون کنترل رطوبت، کاملاً کاربردی و قابل تجزیه می‌مانند.»
جوهر کامپوزیتی تعبیه شده در آنزیم را می‌توان با استفاده از آنزیم‌های تجاری موجود بدون فرآیندهای خالص سازی تهیه کرد. این فناوری مقرون به صرفه است زیرا پرکننده‌های فلزی گران قیمت را می‌توان به راحتی پس از انحلال در حمام آب گرم در پایان عمر مدارها بازیافت کرد.
کوون خاطرنشان می کند: «ما مدارهای تجزیه‌پذیر را با استفاده از کامپوزیت حل شده در حلال‌های آلی (به عنوان مثال، تولوئن) با روش نوشتن با جوهر مستقیم چاپ کردیم. با این حال، استفاده از حلال‌های آلی نیز می‌تواند به دلیل سمیت و هزینه آن‌ها مشکل‌ساز باشد. بنابراین، ما همچنین اکستروژن ذوب داغ مواد را در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد نشان دادیم.»
پلی کاپرولاکتون مورد استفاده در این کار به دلیل تجزیه‌پذیری، زیست سازگاری و استحکام مکانیکی آن به طور فعال در بسیاری از کاربردهای زیست پزشکی استفاده می‌شود. بنابراین، این تیم استدلال می‌کند که جوهر رسانای تجزیه‌پذیر آن‌ها ممکن است در الکترونیک گذرای قابل جذب زیستی برای دستگاه‌های قابل کاشت و حسگرهای زیستی نیز استفاده شود.
کوون می‌گوید: «تحقیق ما چند رشته‌ای است، از سنتز مواد تا ساخت دستگاه، که به متخصصان زیادی با دانش اساسی و مهارت‌های حل مسئله نیاز دارد. همکاری با محققان مختلف و به کارگیری فناوری‌های جدید، از جمله یادگیری ماشینی یا چاپ سه‌بعدی پیشرفته، چالش برانگیز اما حیاتی برای ادامه مطالعه به نظر می‌رسد.»
