Исследовательская группа под руководством профессора Карла Лео из Технического университета Дрездена разработала инновационное, вдохновленное природой решение, которое может произвести революцию в электронной промышленности: «Leaftronics». Этот инновационный подход использует естественную структуру листьев для создания биоразлагаемых электронных субстратов с улучшенными свойствами и предлагает устойчивое, эффективное и масштабируемое решение глобальной проблемы отходов. Эти результаты были опубликованы в журнале Science Advances.
Электронные устройства, от игрушек до смартфонов, состоят из схем. Для изготовления этих схем используются специальные подложки. В коммерческой электронике это печатные платы (ПП), изготовленные из армированной стекловолокном эпоксидной смолы.
Большинство из этих материалов не подлежат переработке, не говоря уже о биоразлагаемости. Учитывая огромный объем электронных отходов, превышающий 60 миллионов тонн в год (из которых более 75% не собирается во всем мире), существует острая необходимость в устойчивых альтернативах.
Предыдущие исследования были сосредоточены на создании биоразлагаемых природных полимеров в качестве материалов, но они столкнулись с проблемами термостабильности и устойчивости к химикатам. Врожденный конфликт между биоразлагаемостью, которая требует слабосвязанных молекул, и термической или химической стабильностью, которая требует прочно связанных молекул, долгое время представлял собой значительную проблему.
Теперь группа исследователей из Института прикладной физики в Техническом университете Дрездена под руководством профессора Карла Лео сделала большой шаг вперед, разработав «Leaftronics» — подход, который использует естественную структуру листьев для создания биоразлагаемых электронных субстратов с улучшенными свойствами. Их выводы предлагают устойчивое, эффективное и масштабируемое решение глобальной проблемы электронных отходов.
Инновация, вдохновленная природой: квазифракталы из листьев
Прорыв стал возможен благодаря открытию того, что квазифрактальные лигноцеллюлозные структуры в натуральных листьях, которые служат каркасом для живых клеток листа, можно адаптировать для укрепления биоразлагаемых полимерных пленок, обработанных в растворе.
«Мы были удивлены, обнаружив, что эти природные квазифрактальные лигноцеллюлозные скелеты не только поддерживают живые клетки в природе, но и могут удерживать вместе полимеры, поддающиеся обработке в растворах, даже при относительно высоких температурах, при которых эти полимеры должны начать течь», — объясняет доктор Ганс Клееманн, руководитель группы органических устройств и систем в Институте прикладной физики.
Открытие стало результатом работы доктора Ракеша Р. Наира, который проводил исследования по внедрению природных структур в современные электронные приложения для своей недавно защищенной докторской диссертации.
«Мы видим, что встроенная естественная квазифрактальная структура, по-видимому, термомеханически стабилизирует полимерные пленки, не снижая при этом их биоразлагаемость», — добавляет Наир.
Исследователи продемонстрировали, что эти полимерные пленки, армированные лигноцеллюлозой, выдерживают процесс изготовления паяных схем и могут поддерживать самые современные тонкопленочные устройства, такие как органические светодиоды (OLED). Гладкость пленок, ключевое требование для осаждения сверхтонких слоев материалов, открывает двери для высокопроизводительной тонкопленочной электроники, которая может быть изготовлена на этих подложках.
Обещание «Leaftronics»
Leaftronics представляет собой новую парадигму в электронных материалах, где биологические структуры используются для улучшения свойств полимеров без необходимости химически интенсивных модификаций. В дополнение к своим техническим преимуществам, эти субстраты имеют углеродный след в три раза ниже, чем бумага.
После того, как устройства достигнут конца своего жизненного цикла, субстраты можно легко разложить в почве или переработать на биогазовых установках, что позволяет извлекать электронные компоненты или ценные материалы для целей вторичной переработки.
Устойчивое будущее электроники
Развитие Leaftronics может иметь далеко идущие последствия для отраслей, начиная от потребительской электроники и заканчивая возобновляемой энергетикой. Поскольку глобальный толчок к более экологичным технологиям усиливается, Leaftronics дает возможность заглянуть в будущее электроники, где высокопроизводительные устройства могут сосуществовать с экологической устойчивостью.
«Эта работа указывает на многообещающее слияние природы и технологий, предлагая устойчивый путь вперед в нашем стремлении сократить отходы и бороться с изменением климата, а также шаг к экономике замкнутого цикла в электронике», — говорит Карл Лео, профессор оптоэлектроники и директор междисциплинарного центра Дрезденского интегрированного центра прикладной физики и фотонных материалов (DC IAPP).