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Apr 30, 2024

Productos electrónicos impresos totalmente reciclables Deshazte de los productos químicos tóxicos por el agua

6 de abril de 2023 | Por Ken Kingery La primera demostración de su tipo sugiere que es posible un futuro más respetuoso con el medio ambiente para la industria electrónica Ingenieros de la Universidad de Duke han producido el

6 de abril de 2023 | Por Ken Kingery

La primera demostración de su tipo sugiere que es posible un futuro más respetuoso con el medio ambiente para la industria electrónica

Ingenieros de la Universidad de Duke han producido los primeros productos electrónicos impresos totalmente reciclables del mundo que reemplazan el uso de productos químicos con agua en el proceso de fabricación. Al evitar la necesidad de utilizar productos químicos peligrosos, la demostración señala un camino que la industria podría seguir para reducir su huella ambiental y los riesgos para la salud humana.

La investigación apareció en línea el 28 de febrero en la revista Nano Letters.

Uno de los principales desafíos que enfrenta cualquier fabricante de productos electrónicos es asegurar con éxito varias capas de componentes uno encima del otro, lo cual es crucial para fabricar dispositivos complejos. Lograr que estas capas se peguen puede ser un proceso frustrante, especialmente para la electrónica impresa.

"Poner capas una encima de otra no es tan fácil como colocarlas solas, pero eso es lo que hay que hacer si se quiere construir dispositivos electrónicos con impresión".

aarón franklin

"Si estás haciendo un sándwich de mantequilla de maní y mermelada, una capa en cada rebanada de pan es fácil", explicó Aaron Franklin, profesor Addy de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke, quien dirigió el estudio. “Pero si primero pones la gelatina y luego intentas untarle mantequilla de maní, olvídalo, la gelatina no se quedará quieta y se mezclará con la mantequilla de maní. Poner capas una encima de otra no es tan fácil como colocarlas solas, pero eso es lo que hay que hacer si se quiere construir dispositivos electrónicos con impresión”.

En trabajos anteriores, Franklin y su grupo demostraron los primeros dispositivos electrónicos impresos totalmente reciclables. Los dispositivos utilizaron tres tintas a base de carbono: nanotubos de carbono semiconductores, grafeno conductor y nanocelulosa aislante. Al intentar adaptar el proceso original para utilizar únicamente agua, los nanotubos de carbono presentaron el mayor desafío.

Para fabricar una tinta a base de agua en la que los nanotubos de carbono no se aglutinan y se esparcen uniformemente sobre una superficie, se añade un tensioactivo similar al detergente. La tinta resultante, sin embargo, no crea una capa de nanotubos de carbono lo suficientemente densa como para que la atraviese una alta corriente de electrones.

"Lo que se quiere es que los nanotubos de carbono parezcan espaguetis al dente esparcidos sobre una superficie plana", dijo Franklin. “Pero con una tinta a base de agua, parecen más como si los hubieran tomado uno por uno y arrojados contra una pared para verificar que estén cocidos. Si usáramos productos químicos, podríamos simplemente imprimir varias pasadas una y otra vez hasta que hubiera suficientes nanotubos. Pero el agua no funciona de esa manera. Podríamos hacerlo 100 veces y seguiría habiendo la misma densidad que la primera vez”.

Esto se debe a que el tensioactivo utilizado para evitar que los nanotubos de carbono se aglutinen también evita que se adhieran capas adicionales a la primera. En un proceso de fabricación tradicional, estos tensioactivos se eliminarían utilizando temperaturas muy altas, lo que requiere mucha energía, o productos químicos agresivos, que pueden plantear riesgos para la salud humana y ambiental. Franklin y su grupo querían evitar ambos.

En el artículo, Franklin y su grupo desarrollan un proceso cíclico en el que el dispositivo se enjuaga con agua, se seca a fuego relativamente lento y se vuelve a imprimir. Cuando también se reduce la cantidad de tensioactivo utilizado en la tinta, los investigadores demuestran que sus tintas y procesos pueden crear transistores completamente funcionales, totalmente reciclables y totalmente a base de agua.

"Si usáramos productos químicos, podríamos simplemente imprimir varias pasadas una y otra vez hasta que hubiera suficientes nanotubos. Pero el agua no funciona de esa manera. Podríamos hacerlo 100 veces y seguiría teniendo la misma densidad que la primera vez. .”

aarón franklin

En comparación con una resistencia o un condensador, un transistor es un componente informático relativamente complejo que se utiliza en dispositivos como sensores y circuitos lógicos o de control de potencia. Franklin explica que, al demostrar primero un transistor, espera indicar al resto del campo que existe un camino viable para hacer que algunos procesos de fabricación de productos electrónicos sean mucho más respetuosos con el medio ambiente.

Franklin ya ha demostrado que casi el 100% de los nanotubos de carbono y el grafeno utilizados en la impresión se pueden recuperar y reutilizar en el mismo proceso, perdiendo muy poca sustancia o su viabilidad de rendimiento. Como la nanocelulosa está hecha de madera, puede simplemente reciclarse o biodegradarse como el papel. Y aunque el proceso utiliza mucha agua, no es tanta como la que se requiere para lidiar con los químicos tóxicos utilizados en los métodos de fabricación tradicionales.

Según una estimación de las Naciones Unidas, menos de una cuarta parte de los millones de libras de productos electrónicos que se desechan cada año se reciclan. Y el problema no hará más que empeorar a medida que el mundo finalmente se actualice a dispositivos 6G y el Internet de las cosas (IoT) siga expandiéndose. Por lo tanto, es importante abordar cualquier mella que se pueda hacer en esta creciente montaña de basura electrónica.

"El rendimiento de nuestros transistores de película delgada no coincide con los mejores que se fabrican actualmente, pero son lo suficientemente competitivos como para mostrar a la comunidad de investigación que todos deberíamos trabajar más para que estos procesos sean más respetuosos con el medio ambiente".

aarón franklin

Si bien es necesario hacer más trabajo, Franklin dice que el enfoque podría usarse en la fabricación de otros componentes electrónicos como las pantallas y visualizadores que ahora son omnipresentes en la sociedad. Cada pantalla electrónica tiene una placa posterior de transistores de película delgada similar a la que se demuestra en el artículo. La tecnología de fabricación actual requiere alta energía y se basa en productos químicos peligrosos y gases tóxicos. Toda la industria ha sido señalada para atención inmediata por parte de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos.

"El rendimiento de nuestros transistores de película delgada no coincide con los mejores que se fabrican actualmente, pero son lo suficientemente competitivos como para mostrar a la comunidad de investigación que todos deberíamos trabajar más para que estos procesos sean más respetuosos con el medio ambiente", dijo Franklin.

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (1R01HL146849), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-22-1-0466) y la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-1542015, Beca de investigación de posgrado 2139754).

CITA: “Transistores de película delgada totalmente de carbono que utilizan impresión solo con agua”, Shiheng Lu, Brittany N. Smith, Hope Meikle, Michael J. Therien y Aaron D. Franklin. Nano Letters, 28 de febrero de 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04196