Bo mạch tự phục hồi mở ra con đường mới để giảm rác thải điện tử toàn cầu
Tác giả: Alex Parrish, Virginia Tech
Mạch tái chế do các nhóm từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Khoa Hóa học tạo ra. Ảnh: Alex Parrish chụp cho Virginia Tech.
Giữa các lần nâng cấp và hỏng hóc điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay và đồ gia dụng, rất nhiều thiết bị điện tử bị vứt vào thùng rác đến nỗi chúng có tên riêng: rác thải điện tử.
Theo báo cáo năm 2024 do Liên hợp quốc công bố, lượng rác thải điện tử trên toàn thế giới đã tăng gần gấp đôi trong 12 năm qua, từ 34 tỷ lên 62 tỷ kg—tương đương với 1,55 triệu xe tải chở hàng—và ước tính sẽ đạt 82 tỷ kg vào năm 2030. Chỉ có 13,8 tỷ kg—khoảng 20% tổng số—dự kiến sẽ được tái chế, con số này dự kiến sẽ không thay đổi.
Nói một cách đơn giản, chúng ta đang vứt bỏ ngày càng nhiều thiết bị điện tử và việc tái chế không theo kịp. Nhưng một nghiên cứu trong Advanced Materials của hai nhóm nghiên cứu tại Virginia Tech đưa ra một giải pháp tiềm năng cho vấn đề rác thải điện tử: một vật liệu có thể tái chế giúp thiết bị điện tử dễ phân hủy và tái sử dụng hơn.
Hóa học và kỹ thuật có câu trả lời
Michael Bartlett, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và Josh Worch, phó giáo sư hóa học, đến từ các lĩnh vực khác nhau, nhưng cùng nhau họ đã tạo ra một loại vật liệu mạch mới.
Với công trình nghiên cứu đáng kể của nhóm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và sau đại học, bao gồm Dong Hae Ho, Meng Jiang và Ravi Tutika, các mạch mới có thể tái chế, dẫn điện, có thể định hình lại và tự phục hồi sau khi bị hư hỏng. Tuy nhiên, chúng vẫn giữ được độ bền và độ chắc của nhựa bảng mạch truyền thống—những đặc điểm hiếm khi có ở cùng một vật liệu.
Vật liệu mới bắt đầu bằng vitrimer, một loại polyme động có thể định hình lại và tái chế. Vật liệu đa năng này được kết hợp với các giọt kim loại lỏng thực hiện công việc dẫn dòng điện, giống như cách kim loại cứng thực hiện trong mạch điện thông thường.
Đây là một cách tiếp cận hoàn toàn khác so với các thiết bị điện tử có thể tái chế hoặc linh hoạt khác. Bằng cách kết hợp các polyme có hiệu suất cao, thích ứng với các kim loại lỏng dẫn điện, mạch điện mới này có thể chịu được vô số thách thức.
"Vật liệu của chúng tôi không giống như các vật liệu tổng hợp điện tử thông thường", Bartlett cho biết. "Các bảng mạch có khả năng phục hồi và chức năng đáng kinh ngạc. Ngay cả khi bị biến dạng hoặc hư hỏng do cơ học, chúng vẫn hoạt động".
(Từ trái sang) Ravi Tutika, Michael Bartlett, Josh Worch và Meng Jiang đang thử nghiệm mạch điện tái chế do các nhóm kỹ thuật cơ khí và hóa học tạo ra. Tín dụng: Alex Parrish cho Virginia Tech.
Một cuộc sống thứ hai
Việc tái chế các bảng mạch truyền thống bao gồm một số bước tháo rời tốn nhiều năng lượng và vẫn tạo ra một lượng lớn chất thải. Hàng tỷ đô la thành phần kim loại có giá trị bị mất trong quá trình này.
Việc tái chế bảng mạch của nhóm rất đơn giản và có thể thực hiện theo nhiều cách.
"Các bo mạch truyền thống được làm từ vật liệu nhiệt rắn vĩnh cửu cực kỳ khó tái chế", Worch cho biết. "Ở đây, vật liệu composite động của chúng tôi có thể được chữa lành hoặc định hình lại nếu bị hư hỏng do tác dụng nhiệt và hiệu suất điện sẽ không bị ảnh hưởng. Các bo mạch hiện đại đơn giản là không thể làm được điều này".
Các bo mạch vitrimer cũng có thể được tháo rời khi hết vòng đời bằng cách sử dụng thủy phân kiềm, cho phép thu hồi các thành phần chính như kim loại lỏng và đèn LED. Tái sử dụng hoàn toàn tất cả các thành phần của vật liệu composite dẫn điện trong quy trình vòng kín vẫn là mục tiêu của các nghiên cứu trong tương lai.
Mặc dù có thể không thể hạn chế lượng thiết bị điện tử bị người tiêu dùng trên thế giới thải bỏ, nhưng công trình này là một bước tiến quan trọng hướng tới việc giữ nhiều thiết bị điện tử hơn khỏi bãi rác.
Thông tin thêm: Dong Hae Ho và cộng sự, Vật liệu composite dẫn điện kim loại lỏng-vitrimer cho thiết bị điện tử có thể tái chế và đàn hồi, Vật liệu tiên tiến (2025).DOI: 10.1002/adma.202501341
Thông tin tạp chí: Advanced Materials
Được cung cấp bởi Virginia Tech
