ساخت قطعات الکترونیکی چاپیِ قابل بازیافت

گروهی از مهندسان دانشگاه دوک موفق به ساخت اولین قطعات الکترونیکی چاپیِ قابل بازیافت در جهان شدند. این پژوهشگران موفق شدند یکی از قطعات کامپیوتری کاربردی و پیچیده، یعنی ترانزیستور، را با سه مُرَکب کربنی بسازند و امیدوارند ساخت این قطعه الکترونیکی مسیر را برای تولید نسل جدید قطعات الکترونیکی قابل بازیافت هموار کند و بتوانند به جنگ بحران جهانی زباله‌های الکترونیکی بروند. این پژوهش روز 26 آوریل به صورت آنلاین در ژورنال Nature Electronics منتشر شد.

آرون فرانکلین، استاد مهندسی الکترونیک و کامپیوتر در دانشگاه دوک می‌گوید:« احتمال اینکه قطعات کامپیوتری مبتنی بر سیلیکون هیچ وقت از دور خارج نشوند، وجود دارد و به همین دلیل نمی‌توانیم انتظار داشته باشیم قطعات الکترونیکی قابل بازیافت، همانند چیزی که ما ساخته‌ایم،  جایگزین این فناوری و دستگاه‌هایی شود که به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.» وی در ادامه می‌گوید:« اما امیدواریم با ساخت قطعات الکترونیکی جدیدی که قابل بازیافت هستند و به آسانی چاپ می‌شوند و با شناساندن کارایی و قابلیت‌های‌شان، در آینده به صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرند.»

قطعات الکترونیکی به جزئی جدایی‌ناپذیر از زندگی مردم تبدیل شده‌اند و به همین دلیل با انبوهی از زباله‌های الکترونیکی مواجه هستیم که یا دیگر قابل به استفاده نیستند و یا مدل جدیدتری جایگزین آن‌ها شده است. طبق برآورد سازمان ملل متحد، سالانه فقط یک چهارم از میلیون‌ها پوند (وزن) قطعه‌ الکترونیکی که دور ریخته می‌شود، ‌بازیافت می‌شود. از سوی دیگر، پیدایش و ظهور دستگاه‌های 5G و استفاده گسترده از اینترنت اشیا (IoT) نیز به تشدید این مشکل دامن می‌زند.

البته از این موضوع هم نباید غاف شویم که بازیافت دستگاه‌های الکترونیکی دشوار است. در کارخانه‌های بزرگ، برای قطعه قطعه کردن دستگاه‌های عظیم‌الجثه، صدها کارگر به کار گرفته می‌شوند. قطعات مسی، آلومینیومی و فولادی قابل بازیافت هستند، اما تراشه‌های سیلیکونی که یکی از قطعات اصلی دستگاه‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهند ، قابل بازیافت نیستند.

فرانکلین و  همکارانش موفق به ساخت یک ترانزیستور با سه مرکب کربنی شدند که کاملاً کاربردی و قابل بازیافت است؛ این ترانزیستور را می‌توان به آسانی بر روی ورقه یا دیگر سطوح انعطاف‌پذیری که آسیبی به محیط زیست وارد نمی‌کنند، چاپ کرد. نانولوله‌های کربنی و جوهر گرافن در ساخت نیمه‌رساناها و رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به گفته فرانکلین هرچند استفاده از نانولوله‌های کربنی و جوهر گرافن در الکترونیک چاپی اتفاق جدیدی نیست، اما قابلیت بازیافت قطعات الکترونیکی در نتیجه توسعه و ساخت نوعی جوهر دی‌الکتریک عایق به نام نانوسلولز که از چوب به دست آمده ، میسر شده است.

فرانکلین با اشاره به این نکته که :« نانوسلولز تجزیه‌پذیر است و سال‌ها در مواردی همچون بسته‌بندی کاربرد داشته است»، گفت: « هرچند مردم از مدت‌ها قبل از کاربرد بالقوه آن به عنوان یک عایق در قطعات الکترونیکی اطلاع داشتند، اما کسی نمی‌دانست می‌توان از آن در جوهر قابل چاپ استفاده کرد. و این موضوع بر لزوم ساخت دستگاه‌هایی که قابل بازیافت باشند، تأکید می‌کند.»

پژوهشگران برای معلق کردن بلور‌های نانوسلولز( که از فیبرهای چوبی استخراج شده بودند)، روش جدیدی – پاشیدن نمک خوراکی بر روی آن‌ها- ابداع کردند؛ در نتیجه این روش جوهری به وجود آمد که در ترانزیستورهای چاپی‌شان نقش یک عایق را ایفا می‌کرد. آن‌ها در جت پرینتر ایروسل Aerosol jet printer، در دمای محیط، از سه جوهر استفاده کردند و متوجه شدند عملکرد تمامی ترانزیستورهای کربنی آن‌ها، حتی پس از گذشت شش ماه از چاپ اولیه،  به اندازه‌ای قابل قبول است که بتوان از آن‌ها در کاربردهای گوناگونی استفاده کرد.

این تیم از پژوهشگران در گام بعدی خود، قابلیت بازیافت طرح‌شان را به نمایش گذاشتند. آن‌ها دستگاه‌های‌شان را چندین بار در محلولی غوطه‌ور کردند، و به آن‌ها امواج صوتی دادند تا به لرزه در آیند و سپس محلول به دست آمده را جدا کردند، در نتیجه نانولوله‌های کربنی و جوهرهای گرافن با تقریب 100 درصدی بازیابی شدند. هر دو ماده را می‌توان مجدداً در فرایند چاپ به کار گرفت و این در حالی است که کارایی آن‌ها کمی کاهش می‌یابد. با توجه به اینکه نانوسلولزها از چوب به دست آمده‌اند، به سادگی می‌توان آن را به همراه ورقی که بر روی آن چاپ شده‌اند، بازیافت کرد.

ترانزیستور نسبت به مقاومت الکتریکی و خازن قطعه کامپیوتری پیچیده‌تری است و در دستگاه‌هایی از جمله منبع تغذیه و مدار منطقی و سنسورهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق توضیحات فرانکلین، آن‌ها امیدوارند با ارائه یک ترانزیستور چابی قابل بازیافت و  چند منظوره، گامی به سوی تجاری‌سازی این فناوری بردارند و بتوان از آن در دستگاه‌های گوناگون استفاده کرد. به گفته فرانکلین، برای مثال می‌توان از این فناوری در ساختمان بزرگی که به هزاران حسگر محیطی نیاز دارد، استفاده کرد و میزان مصرف انرژی آن را کنترل کرد و یا می‌توان سنسورهای زیستی شخصی‌سازی شده را به آن مجهز کرد و وضعیت سلامتی فرد را تحت نظر داشت.

فرنکلین می‌گوید: « قطعات الکترونیکی قابل بازیافت، همانند چیزی که ما ساخته‌ایم، به هیچ وجه قرار نیست جایگزین این صنعت که نیم تریلیون دلار ارزش دارد، بشوند و تا چاپ پردازنده‌های کامپیوتری قابل بازیافت مسیری طولانی در پیش داریم»، وی در ادامه گفت:« اما امیدواریم ساخت این مواد جدید و شناساندن قابلیت‌های‌شان ما را یک قدم به ساخت انواع جدید قطعات الکترونیکی نزدیک کند.»

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید