Teadlaste loodud biolaguneva elektroonika võib ära süüa või pesumasinas välja pesta

Selline näebki välja kiiresti biolagunev, kuid sobivates tingimustes täiesti töötav elektroonika. Foto: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Üks suurimaid reostajaid on elektroonika, mis looduses ei mädane ja lekitab ohtlikke aineid. Berkeley Lab´i teadlased on nüüd loonud lahenduse, millega saab luua sellist elektroonikat, mis on inimesele ohutu ning loodusesse sattudes laguneb lihtsalt kahjututeks ühenditeks ehk polümeeridest monomeerideks.

Eelmisel aastal tekitati ohtlike keemiliste ühenditega elektroonikajäätmeid 57,4 miljonit tonni, millest taaskasutati vaid 17,4 protsenti. Ülejäänu rändas tõenäoliselt prügimäele koos vase, tina, berülliumi ja muude keskkonnale kahjulike ainetega. Olukord pole viimasel ajal kaugeltki paremaks läinud. Seadmed on muutunud hoopis veelgi kompaktsemaks ning sealt komponentide taaskasutuseks väljavõtmine palju keerulisemaks.

Ajakirjas Advanced Materials avaldatud teadustöös kirjeldavad Berkeley Lab´i teadlased, mismoodi on võimalik saada kiiresti lagunevaid juhte ja isolaatoreid, mida elektroonikaskeemides kasutada ning kuidas neid siiski ettenähtud aja jooksul ära lagunemast hoida. 

Elastsed vooluahelad prinditakse välja 3D printeriga ning need venivad kuni 80%(ehk katkestuspinge ≈80%). Komponendid püsivad seni, kuni satuvad teatud keskkonnatingimustesse, näiteks piisavalt kuuma vette. Ligikaudu 94% kasutatavatest täiteainetest saab ringlusse võtta ja taaskasutada sarnastes seadmetes.

Laborikatsetest selgus, et trükiahelad püsivad toatemperatuuriga riiulil hoides muutumatuna vähemalt seitse kuud ja töötavad peale seda pidevalt elektripinge all. Kõrgema temperatuuri ja niiskusega mõjutades aga materjal laguneb kiiresti. 

Uuringute üheks tähtsamaks eesmärgiks ongi leida selline lahendus, mis oleks sobiv näiteks ühekordselt kasutatava trükitud elektroonika jaoks kantavates seadmetes, biosensorites ja pehmes robootikas.

Doktorant Junpyo Kwon Berkeley Lab´ist testib ringlusse võetavat biolagunevat trükkplaati, mida saaks kasutada kantavates seadmetes, biosensorites või robotites. Foto: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Lahenduses kasutatakse juba varem välja töötatud plasti koos biolagunevate elektrijuhtidega. Lagundamiseks oli selles varem kasutatud lahenduses elektroonikasse lisatud mikroorganismi Burkholderia cepacian ensüüm (BC-lipaas), mis asub kuuma ja niiskuse toimel polümeere lõhkuma. Makroskoopilistes mõõtmetes toimub siis polümeerisabade «jahtimine», mille käigus lipaas tükeldab need monomeerideks. Kui aga niiskus ja temperatuur on tavalised, siis polümeerid ei lagune.

Berkeley lab´i katsetes leiti, et puhast ja kallist lipaasi pole siiski vaja ning hakkama saadi ka odavamate ensüümikokteilidega, mida saaks juba tootmises kasutada. 

Kui plast töötab elektroonikas isolaatorina, siis vaja on ka elektrijuhte. Selleks loodi prinditav «tint», mis koosneb biolagunevatest polüester-sideainetest, juhtivatest täiteainetest, nagu hõbedaosakesed või süsinik, samuti kaubanduslikult saadaolevatest odavatest ensüümikokteilidest. Tint saab oma elektrijuhtivuse hõbeda- või süsinikuosakestest ning biolagunevad polüestersideained toimivad liimina, mis hiljem vahelt ära laguneb.

Teadlased kasutasid elektriskeemide väljatrükiks tavalist 3D-printerit elektrit juhtiva tindiga, et printida vooluringide mustreid erinevatele pindadele, nagu näiteks kõva biolagunev plast, paindlik biolagunev plast, riie jne. Sellega saadi kinnitus, et tint tõesti nakkub nende materjalidega ja moodustab pärast kuivamist töötava seadme.

Kuidas toimub elektroonika lagunemine?

Järgmisena katsetasid teadlased seadme taaskasutusse võetavust, kastes selle sooja vette. 72 tunni jooksul lagunesid vooluringi materjalid koostisosadeks – hõbedaosakesed eraldusid täielikult polümeersetest sideainetest ja polümeerid lagunesid ohututeks monomeerideks, lastes kasutatud metalliosakesed ilma täiendava töötlemiseta hõlpsasti kätte saada. Ligikaudu 94% kasutatud hõbedaosakestest sai taas ringlusse võtta ja taaskasutada sarnase seadme sees.

Üllatuslikult elasid ensüümid biolaguneva materjali sees edasi veel kolmkümmend päeva pärast lagunemisprotsessi algust ja viisid oma töö täielikult lõpule. Teadlastel oli kahtlus, et äkki elektrivool kahjustab neid, kuid ilmselt polümeerne struktuur kaitses mikroorganisme.

USA kaitseministeeriumi ja energeetikaministeeriumi rahalisel toel üritatakse järgmise sammuna ehitada valmis biolagunev mikrokiip, mis on tunduvalt raskem ülesanne. Ehitusmaterjalid selleks on aga enam-vähem olemas.