Китайские
ученые разработали
проводящие
цинково-серебряные
чернила для перерабатываемых печатных
плат.
Добавка
серебряных нановискеров позволила
увеличить проводимость в четыре раза
и напечатать рабочую плату для аналога
умных часов. Часы могут показывать
время, измерять пульс и количество пройденных шагов и даже
связываться со смартфоном, а при
погружении в воду их
корпус
и
плата
полностью
растворяются за сорок часов. Результаты
исследования опубликованы
в журнале Applied
Materials and Interfaces.
Каждый
год люди выбрасывают более
50
миллионов тонн электроприборов.
С
распространением
умных часов, сенсоров и прочих миниатюрных
гаджетов проблема электронного
мусора будет
только усугубляться.
Перерабатывать
такие устройства стандартными способами
может быть попросту невыгодно, ведь разделение
миниатюрных микросхем на составные
части отнимает много времени, а масса извлекаемых металлов получается
совсем небольшой.
В
2019
году китайские
ученые под руководством Сяня
Хуана (Xian
Huang)
из
Тяньцзиньского
Университета
придумали для проблемы
оригинальное решение — сделать
части
микросхем
растворимыми.
В этом случае устройство, попав
в воду,
само
распадется на части, и дальнейшая
переработка пройдет
значительно проще.
Хуан
и его коллеги разработали
проводящий
композит на
основе цинковых наночастиц и
ангидрида, который
растворялся в воде за 30 минут.
Ангидрид ученые добавили для того, чтобы
управлять процессом печати
и растворения: при взаимодействии с
водой каждая молекула ангидрида
распадается на две молекулы кислоты,
которые растворяют
оксидную оболочку на цинке и способствуют
соединению
отдельных наночастиц в проводящую
монолитную структуру (материаловеды называют это процесс спеканием, так как изначально его умели проводить только при высоких температурах).
А после
завершения использования
та же самая кислота помогает цинковым
контактам растворяться.
Проводимость цинковых контактов в первой работе Хуана и его коллег была недостаточна, поэтому в своем новом исследовании ученые попробовали улучшить ее, добавив к цинковым чернилам серебряные нановискеры (нитевидные наночастицы). Авторы смешивали цинковые наночастицы и серебряные нановискеры с пропионовым ангдидридом и пропиленгликолем (для улучшения вязкости) и наносили состав на полимерные подложки методом трафаретной печати. После этого оставалось добавить несколько капель воды, чтобы активировать ангидрид и запустить процесс спекания. Сначала пропионовый ангидрид взаимодействует с водой, образуя пропионовую кислоту. Затем кислота растворяет оксидную пленку на поверхности цинковых и серебряных наночастиц, обнажая слой чистого металла. Ионы Zn2+ и Ag+ переходят в раствор, и вступают в гальваническую реакцию, в результате цинк снова осаждается на серебряных и цинковых наночастицах, как бы склеивая их между собой. Наконец, вода испаряется и остатки растворенных солей цинка и серебра осаждаются сверху на металлический композит, формируя защитный слой.
После
обработки водой части плат становились
более монолитными — у них уменьшалась
толщина и шероховатость и возрастала
проводимость.
В поисках идеального композита авторы изменяли условия печати и содержание серебряных нановискеров. Лучший образец показал проводимость 307,6 килосименс на метр — в четыре раза больше, чем предыдущие результаты для проводящих чернил на основе наночастиц. Также авторы изготовили несколько образцов с медными нановискерами, их проводимость была немного хуже (250,5 килосименс на метр) из-за более низкой собственной проводимости меди и меньшей длины нановискеров. Механическая прочность тоже оказалась на высоте — после восьми тысяч сгибаний-разгибаний платы сохраняли более 91 процента исходной проводимости. А вот стабильность в условиях влажности ученым еще предстоит улучшить — пока что при хранении без защитной оболочки цинково-серебряный композит теряет около десяти процентов своей проводимости каждые две недели.
Все платы растворялись в обыкновенной воде комнатной температуры за 30-40 минут. В этом процессе ангидрид тоже играет важную роль: сначала он превращается в кислоту, затем кислота взаимодействует с металлами, переводя их в раствор. Полного растворения серебряных нановискеров не происходит, но после растворения всего цинка нановискеры отделяются от подложки и погружаются в раствор.
Чтобы продемонстрировать возможности нового материала, ученые напечатали плату для умных часов. Все составные части умных часов — акселерометр, оксиметр, OLED-дисплей и микроконтролер — вмонтировали в цинково-серебряную плату, а корпус часов изготовили из растворимого поливинилового спирта. Такие часы могут показывать время, измерять скорость сердцебиения и количество пройденных шагов и даже связываться со смартфоном для отображения сообщений. Часы выдержали месяц работы на запястье человека, который активно занимался спортом. После этого авторы поместили часы в обыкновенную воду комнатной температуры, и за двое суток корпус и все проводящие контакты полностью растворились. Сенсоры, дисплей и другие части устройства можно было извлечь из воды и использовать повторно или переработать. Полученный раствор, который содержит растворенный цинк и остатки серебряных нановискеров, ученые дополнительно проверили на цитотоксичность и убедились, что уровень выживаемости клеток соответствует
Международной Ассоциации по Стандартизации для медицинских устройств.
Хуан и его коллеги называют свое устройство «первыми растворимыми умными часами», но, строго говоря, это не совсем так: растворились только корпус и цинково-серебряные контакты, а OLED-дисплей, микроконтроллер, сенсоры, конденсаторы и резисторы — нет. Однако, вполне вероятно, что создание полностью растворимых умных часов тоже не за горами. В мае вышла
американских ученых о полностью перерабатываемом транзисторе. Его основа сделана из бумаги, а все части микросхем — из углеродных материалов: наноцеллюлозы, углеродных нанотрубок и графена. Устройство может работать шесть месяцев при нормальной влажности и температуре, после чего углеродные нанотрубки и графен можно растворить и использовать снова. А в марте мы писали о
, который можно нанести на кожу с помощью метода переводных татуировок, а после использования смыть обыкновенной водой с мылом.