Wissenschaftler demonstrieren eine biologisch abbaubare gedruckte Schaltung
Experten gehen davon aus, dass sich unser Elektroschrottproblem mit der Zeit nur noch verschlimmern wird, da die meisten heute auf dem Markt erhältlichen Elektronikgeräte auf Mobilität und nicht auf Recycling ausgelegt sind. Tablets und Lesegeräte werden beispielsweise zusammengebaut, indem Schaltkreise, Chips und Festplatten auf dünne Kunststoffschichten geklebt werden, die geschmolzen werden müssen, um Edelmetalle wie Kupfer und Gold zu extrahieren. Beim Verbrennen von Kunststoff werden giftige Gase in die Atmosphäre freigesetzt, und Elektronik, die auf Deponien verschwendet wird, enthält oft schädliche Materialien wie Quecksilber, Blei und Beryllium.
Ein Berkeley Lab-Forschungsteam hat eine vollständig recycelbare und biologisch abbaubare gedruckte Schaltung entwickelt. Das könnte tragbare Geräte und andere flexible Elektronik vor dem Ende auf Mülldeponien bewahren und die Gesundheits- und Umweltgefahren durch Schwermetallabfälle mindern.
In einer früheren Studie demonstrierten die Forscher ein biologisch abbaubares Kunststoffmaterial, in das gereinigte Enzyme wie Burkholderia cepacian Lipase (BC-Lipase) eingebettet waren. Durch diese Arbeit entdeckten sie, dass heißes Wasser die BC-Lipase aktiviert und das Enzym dazu veranlasst, Polymerketten in Monomerbausteine abzubauen. Sie registrierten auch, dass BC-Lipase ein wählerischer „Esser“ ist. Bevor eine Lipase eine Polymerkette in Monomere umwandeln kann, muss sie zuerst das Ende einer Polymerkette abfangen. Indem kontrolliert wird, wann die Lipase das Kettenende findet, kann sichergestellt werden, dass die Materialien nicht abgebaut werden, bis das Wasser eine bestimmte Temperatur erreicht.
Für die aktuelle Studie vereinfachten Teamleiterin Ting Xu und ihr Team den Prozess noch weiter. Anstelle teurer gereinigter Enzyme basieren die biologisch abbaubaren gedruckten Schaltungen auf billigeren, lagerfertigen BC-Lipase-„Cocktails“. Dies reduziert die Kosten erheblich und erleichtert den Einstieg der gedruckten Schaltung in die Massenfertigung, sagte Xu. Auf diese Weise haben die Forscher die Technologie weiterentwickelt und es ihnen ermöglicht, eine druckbare „leitfähige Tinte“ zu entwickeln, die aus biologisch abbaubaren Polyester-Bindemitteln, leitfähigen Füllstoffen wie Silberflocken oder Ruß und handelsüblichen Enzymcocktails besteht. Die Tinte erhält ihre elektrische Leitfähigkeit von den Silber- oder Rußpartikeln, und die biologisch abbaubaren Polyesterbindemittel wirken als Klebstoff. Die Forscher nutzten einen handelsüblichen 3D-Drucker mit der leitfähigen Tinte, um Schaltungsmuster auf verschiedene Oberflächen wie harten, biologisch abbaubaren Kunststoff, flexiblen, biologisch abbaubaren Kunststoff und Stoff zu drucken. Dies bewies, dass die Tinte an einer Vielzahl von Materialien haftet und nach dem Trocknen der Tinte eine integrierte Einheit bildet.
Um die Langzeitstabilität zu testen, lagerten die Forscher eine gedruckte Schaltung sieben Monate lang in einer Laborschublade ohne kontrollierte Luftfeuchtigkeit oder Temperatur. Nachdem die Schaltung aus der Lagerung genommen wurde, legten die Forscher einen Monat lang eine kontinuierliche elektrische Spannung an das Gerät an und stellten fest, dass die Schaltung den Strom genauso gut leitete wie vor der Lagerung. Als nächstes testeten die Forscher die Recyclingfähigkeit des Geräts, indem sie es in warmes Wasser tauchten. Innerhalb von 72 Stunden zerfielen die Schaltkreismaterialien in ihre Bestandteile – die Silberpartikel trennten sich vollständig von den Polymerbindemitteln und die Polymere zerfielen in wiederverwendbare Monomere, sodass die Forscher die Metalle ohne zusätzliche Verarbeitung leicht zurückgewinnen konnten. Am Ende dieses Experiments stellten sie fest, dass etwa 94 % der Silberpartikel recycelt und bei ähnlicher Geräteleistung wiederverwendet werden können.
Bild: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
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