Innovatief team creëert herbruikbare, zelfhelende elektronica om e-waste te bestrijden

Electronics & Sensors INSIDER

(Van links) Ravi Tutika, Michael Bartlett, Josh Worch, en Meng Jiang testen het herbruikbare circuit gemaakt door de teams uit mechanische engineering en chemie. (Afbeelding: Alex Parrish voor Virginia Tech)

Het e-waste probleem

Tussen upgrades en defecten aan mobiele telefoons, tablets, laptops en apparaten, worden zoveel elektronische apparaten in de prullenbak gegooid dat ze een eigen naam hebben gekregen: e-waste.

Volgens een 2024 rapport van de Verenigde Naties is de hoeveelheid e-waste wereldwijd in de afgelopen 12 jaar bijna verdubbeld, van 34 miljard naar 62 miljard kilogram — het equivalent van 1,55 miljoen vrachtwagens — en het wordt geschat dat het 82 miljard kilogram bereikt in 2030. Slechts 13,8 miljard kilogram — ongeveer 20 procent van het totaal — wordt verwacht te worden gerecycled, een cijfer dat geprojecteerd wordt om plat te blijven.

Eenvoudig gezegd, we gooien steeds meer elektronische apparaten weg, en recycling houdt niet bij. Maar een nieuwe studie in Advanced Materials door twee Virginia Tech onderzoeksteams biedt een potentiële oplossing voor het e-waste probleem: een herbruikbaar materiaal dat elektronica makkelijker te demontieren en hergebruiken kan maken.

Nieuwe klasse circuitmaterialen

Michael Bartlett, associate professor mechanische engineering, en Josh Worch, assistent professor chemie, komen uit verschillende velden, maar samen creëerden ze een nieuwe klasse circuitmaterialen. Met significante werk van hun team van postdoc- en graduate studentonderzoekers, inclusief Dong Hae Ho, Meng Jiang en Ravi Tutika, zijn de nieuwe circuits herbruikbaar, elektrisch geleidend, herconfigureerbaar en zelfhelend na schade. Toch behouden ze de kracht en duurzaamheid van traditionele printplaatplastieken — kenmerken die zelden samen in een enkel materiaal gevonden worden.

Vitrimers en vloeibare metalen

Het nieuwe materiaal begint met een vitrimer, een dynamisch polymere dat herschaalbaar en herbruikbaar is. Deze veelzijdige materiaal wordt gecombineerd met druppels vloeibaar metaal dat het werk doet van het dragen van de elektrische stroom, zoals starre metalen in een traditionele circuit doen.

Dit is een fundamenteel andere benadering dan andere herbruikbare of flexibele elektronische apparaten. Door de high-performance, aanpasbare polymeren te combineren met elektrisch geleidende vloeibare metalen, houdt het nieuwe circuit stand onder een reeks uitdagingen.

"Ons materiaal is anders dan conventionele elektronische composieten," aldus Bartlett. "De printplaten zijn opmerkelijk veerkrachtig en functioneel. Zelfs onder mechanische vervorming of schade, werken ze nog steeds."

Vereenvoudigde recycling

Recycling van traditionele printplaten omvat verschillende energie-intensieve deconstructiestappen en levert nog steeds grote hoeveelheden afval op. Miljarden dollars aan waardevolle metaalcomponenten gaan in het proces verloren. Het recyclen van het team's printplaat is straightforward en kan op meerdere manieren bereikt worden.

"Traditionele printplaten zijn gemaakt van permanente thermoharders die ongelooflijk moeilijk te recyclen zijn," aldus Worch. "Hier kan ons dynamisch composietmateriaal genezen of herschaalbaar zijn als beschadigd, door warmte toe te passen, en de elektrische prestaties zullen niet lijden. Moderne printplaten kunnen dit simpelweg niet."

De vitrimer printplaten kunnen ook aan het einde van hun levenscyclus gedemonteerd worden met alkalische hydrolyse, wat herstel van sleutelcomponenten zoals het vloeibare metaal en LEDs mogelijk maakt. Volledig hergebruik van alle componenten van de geleidende composieten in een closed-loop proces blijft een doel voor toekomstig onderzoek.

Hoewel het misschien niet mogelijk is om het aantal elektronische apparaten dat door wereldwijde consumenten wordt weggegooid te beperken, vertegenwoordigt dit werk een cruciale stap om er meer van uit de stortplaatsen te houden.

Bron