Nuestra obsesión global con la electrónica de consumo efímera es rápida, lo que resulta en un problema mundial de basura masivo. Hasta 50 millones de toneladas métricas de nuestros viejos teléfonos inteligentes, PC, televisores y otros dispositivos fueron descartados el año pasado a favor de la próxima novedad.
Pero los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado una forma sorprendente de hacer que los futuros teléfonos inteligentes y tabletas sean más fáciles para el medio ambiente y la conciencia. Están reemplazando la mayor parte de materiales tóxicos y no biodegradables en microprocesadores modernos con madera.
La investigación se realizó en colaboración con el Laboratorio de Productos Forestales del Departamento de Agricultura de EE. UU. Y se detalla en un documento publicado recientemente en Nature Communications .
Específicamente, el método de los investigadores reemplaza la base rígida o el material del sustrato en los chips de teléfonos inteligentes y tabletas, a menudo compuestos de arseniuro de galio compuesto que contiene arsénico, con nanofibril de celulosa (CNF). El CNF es un material flexible y transparente hecho al romper las paredes celulares de la madera a escala nanométrica y formarlo en láminas, como el papel.
Los pequeños transistores y otros componentes en los chips del equipo todavía están hechos de metales y otros materiales potencialmente tóxicos. Pero la cantidad de esos materiales utilizados es tan pequeña que el investigador principal y profesor de ingeniería eléctrica e informática de UW-Madison, Zhenqiang "Jack" Ma, dice que los chips pueden ser consumidos por hongos y volverse "tan seguros como los fertilizantes".
Por supuesto, el CNF a base de madera no tiene las mismas características que el petróleo o los materiales a base de metal que se usan más comúnmente como sustratos en chips móviles. Al igual que cualquier material a base de madera, el CNF tiene una tendencia a atraer humedad y expandirse y contraerse con los cambios de temperatura, ambos problemas principales para los microchips con aversión a la humedad. Para hacer que el material sea más adecuado para su uso en electrónica, Zhiyong Cai del Departamento de Agricultura de EE. UU. Y Shaoqin "Sarah" Gong de UW-Madison trabajaron juntos para crear un recubrimiento epóxico biodegradable que evite que el material atraiga agua y se expanda. También hace que el material sea más liso, una propiedad importante para un material utilizado para construir pequeñas virutas. Ma dice que la cantidad de epoxi utilizada depende de cuánto tiempo debe durar el chip. El uso de menos epoxi también significa que los hongos pueden descomponer el chip más rápidamente, pero Ma dice que los hongos siempre llegarán a través del epoxi.
Al igual que el arseniuro de galio, el CNF también debe tener una baja pérdida de energía de radiofrecuencia, por lo que las señales inalámbricas que se transmiten y reciben por el chip no se degradarán ni bloquearán. "Nuestro grupo hizo la prueba de pérdida de energía de radiofrecuencia", dice Ma, "y descubrimos, genial, todo se ve bien".
Una vez que los investigadores estuvieron seguros de que el material era un sustituto viable, el siguiente paso fue descubrir cómo eliminar la mayor cantidad posible de arseniuro de galio de un chip y reemplazarlo con CNF. Para eso, Ma tomó prestada una técnica de algunos de sus otros trabajos diseñando electrónica flexible.
"Cuando hacemos electrónica flexible, quitamos una capa muy delgada de silicio o arseniuro de galio, y el sustrato [material debajo] se puede guardar", dice Ma. "Entonces, ¿por qué no hacemos lo mismo y despegamos una sola capa del sustrato original y lo colocamos en CNF, este sustrato a base de madera".
El arseniuro de galio se usa en los teléfonos como sustrato, en lugar del silicio que es común en los procesadores de computadoras, porque tiene propiedades mucho mejores para transmitir señales a largas distancias, como las torres de teléfonos celulares. Pero Ma dice que a pesar de los problemas ambientales y de escasez con el arseniuro de galio (es un material raro), nadie había creado un transistor o circuito de tipo película delgada a partir del material, y las técnicas existentes estaban usando más de la sustancia potencialmente tóxica que necesario.
Se necesitan tan solo 10 transistores para algunos tipos de chips, y la técnica que han desarrollado permite crear muchos más que eso en un área de 4 milímetros por 5 milímetros. "En realidad, podemos construir miles de transistores fuera de esa área, y simplemente mover esos transistores al sustrato de madera", dice Ma. "Este material CNF es sorprendentemente bueno y nadie ha probado nunca aplicaciones de alta frecuencia con él".
Por supuesto, hay otros materiales potencialmente tóxicos en la electrónica portátil, incluidas las baterías, y las cubiertas de vidrio, metal y plástico de los dispositivos constituyen la mayor parte de los desechos electrónicos. Pero los avances en plásticos ecológicos y el trabajo reciente con fibras de madera para crear baterías tridimensionales ofrecen la esperanza de que algún día podamos sentirnos mejor al reemplazar nuestros dispositivos viejos.
Sin embargo, el verdadero desafío será obtener plantas de fabricación de chips masivas y las empresas que las emplean o las poseen para cambiar a métodos más nuevos y más ecológicos cuando las técnicas actuales son tan económicas. Sin embargo, cuando se amplía, los costos para crear CNF a partir de madera renovable también deberían ser económicos, lo que ayudará a atraer a los fabricantes de dispositivos a cambiar de sustratos más tradicionales. Después de todo, la madera es abundante y no necesita ser extraída del suelo como el galio. La historia de casi dos milenios del papel a base de madera también debería ayudar a mantener bajo el costo de reducir el CNF. "El proceso de descomposición de la madera está muy bien establecido", dice Ma.
La naturaleza flexible de CNF lo hará un buen ajuste para el campo emergente de dispositivos electrónicos flexibles. Pero Ma advierte que la aparición de dispositivos flexibles, portátiles y de bajo costo también aumentará sustancialmente la cantidad de desechos electrónicos en un futuro no muy lejano.
"Estamos en el horizonte de la llegada de la electrónica flexible", dice Ma. “La cantidad de dispositivos electrónicos flexibles será mucho más que un solo teléfono y una tableta o computadora portátil. Probablemente tendremos diez PC ”.
Ma espera que la cantidad de desechos electrónicos potenciales generados por todos estos dispositivos combinados con la cantidad de materiales raros (arseniuro de galio y otros) que se pueden ahorrar mediante el uso de materiales a base de madera en la electrónica eventualmente tenga sentido tanto financiero como ambiental.
