يشير العرض الرائد الأول من نوعه إلى إمكانية وجود مستقبل "أكثر خضرة" لقطاع المكونات الإلكترونية
[ترجمة د. موشيه نحماني]
نجح مهندسون من جامعة ديوك في إنتاج أول مكونات إلكترونية مطبوعة قابلة لإعادة التدوير بالكامل في العالم. يحل حلهم المبتكر محل استخدام المواد السامة الموجودة في المياه كجزء من عمليات الإنتاج الصناعي، وبالتالي تقليل التأثير على البيئة والمخاطر الصحية المحتملة الناجمة عن استخدام هذه المواد الخطرة. يفتح هذا العرض التوضيحي الأولي نافذة أمام صناعة يمكنها تقليل البصمة البيئية والصحية. وقد نشرت الدراسة منذ فترة طويلة في المجلة العلمية نانو رسائل.
أحد أكبر التحديات التي تواجه مصنعي المكونات الإلكترونية هو الطلاء الناجح لعدة طبقات فوق المكونات، طبقة فوق الأخرى، وهي طبقة أساسية في إنتاج الأجهزة المتقدمة. يمكن أن تكون هذه المهمة صعبة، خاصة بالنسبة للإلكترونيات المطبوعة، حيث غالبًا ما يكون الالتصاق المناسب للطبقات مصدرًا لإحباط كبير.
وقال آرون فرانكلين، أستاذ الهندسة الإلكترونية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ديوك، والباحث الرئيسي في الدراسة الحالية: "إذا قمت بإعداد شطيرة من زبدة الفول السوداني والمربى، وشريحة خبز فوق الأخرى، فإن المهمة سهلة". . "لكن إذا وضعت طبقة من المربى أولاً على شريحة الخبز وحاولت دهن زبدة الفول السوداني فوقها، فلن تنجح حقًا - فلن تبقى الطبقات واحدة فوق الأخرى، بل ستتحول إلى طبقة من المربى". مختلط بينهما. إن وضع الطبقات فوق بعضها البعض ليس هو نفسه مجرد وضعها بمفردها - ولكن هذا هو المطلوب عندما تريد إنتاج أجهزة إلكترونية من خلال الطباعة."
وفي دراسة سابقة لنفس العالم، استعرض فريق البحث أول مكونات إلكترونية مطبوعة في العالم قابلة لإعادة التدوير بالكامل. تستخدم هذه الأجهزة ثلاثة أنواع من الحبر الكربوني: أنابيب الكربون النانوية شبه الموصلة، وطبقة جرافين موصلة للكهرباء، وطبقة خلوية نانوية عازلة. وفي محاولة تكييف هذه الطريقة مع طريقة تستخدم الماء فقط، شكلت أنابيب الكربون النانوية التحدي الأكبر على الإطلاق. تضع الطابعة النافثة للحبر طبقات من الحبر الكربوني واحدة فوق الأخرى، من أجل إنشاء مكونات إلكترونية من نوع الترانزستور يمكن إعادة تدويرها بالكامل باستخدام الماء، بدلاً من استخدام المواد السامة.
من أجل إنشاء حبر مائي لا تلتصق فيه أنابيب الكربون النانوية ببعضها البعض وتنتشر بشكل موحد على السطح، يضيف الباحثون مادة خافضة للتوتر السطحي مشابهة للمنظفات. ومن ناحية أخرى، فإن الحبر الناتج لا يخلق في النهاية طبقة من أنابيب الكربون النانوية كثيفة بما يكفي للسماح بمرور سريع وكمي للإلكترونات. يوضح الباحث الرئيسي: "أنت تريد الحصول على أنابيب الكربون النانوية التي تبدو وكأنها معكرونة "al dente" موضوعة على سطح مستو". "ومع ذلك، عند استخدام الحبر المائي، تبدو الأنابيب وكأنها تم إلقاؤها على الحائط للتحقق مما إذا كانت مطبوخة بالكامل. إذا استخدمنا المواد الكيميائية، يمكننا طباعة المزيد والمزيد من الطبقات حتى نحصل على الأنابيب النانوية. ومع ذلك، فإن البيئة المائية لا تعمل بهذه الطريقة - يمكننا تكرار هذه العملية مائة مرة وسيظل الضغط كما هو في المرة الأولى." والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أن المادة النشطة السطحية المستخدمة لمنع الأنابيب النانوية من الالتصاق ببعضها البعض تمنع أيضًا طبقات إضافية من الالتصاق بالطبقة الأولى. وكجزء من عملية الإنتاج العادية، يمكن إزالة المواد ذات النشاط السطحي باستخدام درجة حرارة عالية جدًا، وهي عملية تتطلب الكثير من الطاقة، أو باستخدام مواد شديدة السمية، والتي تشكل مخاطر صحية على الإنسان أو خطرًا على البيئة. أرادت مجموعة البحث تجنب ذلك.
وكجزء من المقال الجديد، طور الباحثون عملية دورية يتم فيها غمس الجهاز في الماء، وتجفيفه في درجة حرارة منخفضة نسبيًا، وطباعته مرة أخرى، مرة بعد مرة، طبقة بعد طبقة. عند تقليل كمية المادة الخافضة للتوتر السطحي المستخدمة في إنتاج الحبر، أظهر الباحثون أن أنواع الحبر وعملياتها تؤدي إلى ظهور ترانزستورات مائية وظيفية وقابلة لإعادة التدوير بالكامل. بالمقارنة مع المقاوم أو المكثف، يعتبر الترانزستور مكونًا حاسوبيًا معقدًا نسبيًا يستخدم في أجهزة مثل الدوائر المنطقية وأجهزة الكشف. ويوضح الباحث أنه من خلال عرض الترانزستور كعرض أولي، فإنه يأمل في الإشارة إلى الآخرين المشاركين في هذا المجال بأن هناك طريقًا مستدامًا لتطوير عمليات تصنيع المكونات الإلكترونية الأكثر صداقة للبيئة.
وقد أثبت الباحث في الماضي أن ما يقرب من مائة بالمائة من أنابيب الكربون والجرافين النانوية المستخدمة في الطابعات يمكن إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في نفس العملية، مع خسارة قليلة في المواد أو مستوى الأداء. وبما أن النانوسليلوز مصنوع من الخشب، فيمكن إعادة تدويره أو تحلله مثل الورق. وعلى الرغم من أن العملية لا تستخدم كميات كبيرة من المياه، إلا أن العملية المبتكرة لا تتطلب متطلبات عالية لاستخدام المواد السامة كما هو الحال في طرق الإنتاج العادية.
ووفقا لتقديرات الأمم المتحدة، فإن أقل من ربع ملايين الكيلوجرامات من المكونات الإلكترونية التي يتم إلقاؤها في سلة المهملات كل عام ينتهي بها الأمر إلى إعادة التدوير. وتزداد هذه المشكلة سوءًا مع تقدم البشرية نحو استخدام أجهزة الجيل السادس ومع استمرار توسع مجال إنترنت الأشياء (IoT).
وعلى الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث، يقول الباحثون إن نهجهم يمكن استخدامه في إنتاج مكونات إلكترونية أخرى مثل الشاشات وشاشات العرض الموجودة في كل منزل اليوم.
