Trong nhiều năm, Thomas Geiger đã tiến hành nghiên cứu trong lĩnh vực sợi xenlulô—ví dụ như sợi mịn có thể được sản xuất từ bột gỗ hoặc chất thải nông nghiệp. Sợi cellulose có tiềm năng lớn cho sản xuất bền vững và khử cacbon trong công nghiệp: chúng sinh ra CO 2 - trung tính về bản chất, đốt cháy không để lại cặn và thậm chí có thể phân hủy được. Chúng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, ví dụ như làm cốt sợi trong các sản phẩm cao su kỹ thuật như màng bơm.
Nhưng liệu sợi cellulose có thể cũng được sử dụng để tạo ra các bảng mạch giúp giảm dấu chân sinh thái của máy tính không? Các bảng mạch in (PCB) nói riêng không có hại gì về mặt sinh thái: Chúng thường bao gồm các sợi thủy tinh được ngâm trong nhựa expoxy. Vật liệu composite như vậy không thể tái chế và cho đến nay chỉ có thể được xử lý đúng cách trong các nhà máy nhiệt phân đặc biệt.
Chuột máy tính với vẻ ngoài màu ngà
Geiger đã sản xuất bảng mạch từ sợi xenlulô và điều tra quá trình phân hủy sinh học của chúng. Trộn với nước, các sợi sinh học tạo ra một loại bùn dày có thể được tách nước và nén chặt trong một máy ép đặc biệt. Cùng với một đồng nghiệp, ông đã sản xuất 20 bảng thử nghiệm, trải qua nhiều thử nghiệm cơ học khác nhau và cuối cùng được lắp các linh kiện điện tử . Thử nghiệm đã thành công và tấm xen-lu-lô giải phóng các thành phần được hàn trên đất sau vài tuần trong đất tự nhiên.
Geiger trước đây đã tham gia vào một dự án của Innosuisse cùng với Đại học Khoa học Ứng dụng OST ở Rapperswil, nơi sản xuất các bộ phận vỏ cho chuột máy tính. Các bộ phận vỏ máy có ánh sáng mượt và có màu sắc và cảm giác tương tự như các phôi làm bằng ngà voi. Nhưng không tìm thấy nhà sản xuất nào muốn áp dụng phương pháp này. Sự cạnh tranh về giá đối với các thiết bị điện tử nhỏ vẫn còn quá lớn đối với điều này—và quy trình ép phun nhựa thông thường có lợi thế rõ ràng về mặt này.
Bảng mạch làm bằng len gỗ hoặc sợi cellulose và sợi nhỏ
Gần đây, cơ hội đã nảy sinh để phát triển dựa trên những phát hiện hiện có: Claudia Som, chuyên gia về tính bền vững của Empa, được hỏi liệu cô có muốn cộng tác trong dự án nghiên cứu Hypelignum của EU hay không. Điều này được dẫn đầu bởi viện nghiên cứu vật liệu Thụy Điển RISE và đang tìm kiếm những cách thức mới để sản xuất thiết bị điện tử một cách bền vững. Claudia Som tranh thủ sự giúp đỡ của đồng nghiệp Thomas Geiger.
Dự án bắt đầu vào tháng 10 năm 2022 và tập đoàn nghiên cứu, với những người tham gia đến từ Áo, Slovenia, Tây Ban Nha, Hà Lan, Thụy Điển và Thụy Sĩ, có kế hoạch sản xuất và đánh giá các bảng mạch sinh thái làm bằng nhiều loại vật liệu: Ngoài cellulose sợi nano (CNF), len gỗ và bột gỗ đang được nghiên cứu làm chất nền; veneer gỗ cũng đang được sử dụng làm cơ sở cho các bảng mạch.
Hai phòng thí nghiệm của Empa đang hợp tác trong dự án: Thứ nhất, các chuyên gia về tính bền vững do Claudia Som từ phòng thí nghiệm Công nghệ và Xã hội đứng đầu. Som sẽ sử dụng cơ sở dữ liệu vật liệu để tính toán dấu chân sinh thái của các bảng mạch sinh thái và so sánh các khái niệm riêng lẻ với nhau. Thomas Geiger từ phòng thí nghiệm Cellulose & Wood Materials của Empa sẽ sản xuất bảng mạch từ nguyên liệu tái tạo.
Điện tử xanh từ lâu đã là trọng tâm nghiên cứu của phòng thí nghiệm do Gustav Nyström đứng đầu; Nhóm của Nyström đã phát triển nhiều thành phần điện tử được in khác nhau từ các vật liệu có thể phân hủy sinh học, chẳng hạn như pin và màn hình. Tuy nhiên, các yêu cầu đối với bảng mạch máy tính được sản xuất công nghiệp không hề nhỏ: Bảng mạch không chỉ phải có độ bền cơ học cao mà còn không được phồng lên trong điều kiện ẩm ướt hoặc hình thành các vết nứt ở độ ẩm rất thấp.
Geiger giải thích: “Sợi cellulose có thể là một giải pháp thay thế rất tốt cho composite sợi thủy tinh. "Chúng tôi khử nước vật liệu trong một máy ép đặc biệt với áp suất 150 tấn. Sau đó, các sợi cellulose tự dính lại với nhau mà không cần bất kỳ chất phụ gia nào. Chúng tôi gọi đây là quá trình 'sừng hóa'". Điều quan trọng ở đây là áp suất, nhiệt độ và thời gian kéo dài bao lâu. quá trình ép phải diễn ra để tạo ra kết quả tối ưu.
Bốn người biểu tình đã lên kế hoạch
Dự án Hypelignum của EU có những mục tiêu đầy tham vọng: Nó không chỉ nhằm mục đích nghiên cứu các bảng mạch in làm từ nguyên liệu tái tạo và có thể phân hủy được mà còn phát triển các loại mực dẫn điện cho các kết nối điện giữa các thành phần riêng lẻ. Những loại mực này thường được làm dựa trên các hạt nano bạc. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các vật liệu thay thế rẻ hơn và ít khan hiếm hơn, cũng như một phương pháp sản xuất sinh thái cho các hạt nano này.
Vào cuối dự án, bốn người trình diễn phải cho thấy những gì đã đạt được: một bảng mạch in mẫu mực về mặt sinh thái, một bộ phận xây dựng lớn làm bằng gỗ sẽ được trang bị cảm biến và bộ truyền động, đồ nội thất sẽ được trang bị cảm biến trong một dây chuyền sản xuất tự động và cuối cùng là một trình diễn sẽ chứng minh khả năng tái chế của tất cả các thành phần này.
Hộp thông tin: Màn hình và pin làm từ cellulose
Vào năm 2022, một nhóm nghiên cứu của Empa do Gustav Nyström đứng đầu đã thành công trong việc chế tạo màn hình có thể phân hủy sinh học dựa trên hydroxypropyl cellulose (HPC). Họ đã sử dụng HPC làm chất nền và thêm một lượng nhỏ ống nano carbon, làm cho cellulose dẫn điện. Bằng cách trộn các sợi nano cellulose (CNF), họ đã biến mực thành dạng có thể in được.
Màn hình thay đổi màu sắc tùy thuộc vào điện áp được áp dụng; Ngoài ra, nó cũng có thể đóng vai trò là cảm biến áp suất hoặc độ căng và có khả năng đóng vai trò là giao diện người dùng có thể phân hủy sinh học trong ngành điện tử sinh thái trong tương lai.
