Согласно отчету Организации Объединенных Наций за 2024 год, объем электронных отходов во всем мире за последние 12 лет почти удвоился - с 34 миллиардов до 62 миллиардов килограммов, что эквивалентно 1,55 миллионам грузовых автомобилей, и, по оценкам, к 2030 году он достигнет 82 миллиардов килограммов. Ожидается, что всего 13,8 миллиарда килограммов - около 20 процентов от общего объема - будут переработаны, и это число, по прогнозам, останется неизменным.

Проще говоря, мы выбрасываем все больше и больше электроники, а переработка отходов отстает. Но новое исследование в области передовых материалов, проведенное двумя исследовательскими группами Virginia Tech, предлагает потенциальное решение проблемы электронных отходов: материал, пригодный для вторичной переработки, который мог бы облегчить разборку электроники и повторное использование.

У химии и инженерии есть ответ

Майкл Бартлетт, доцент кафедры машиностроения, и Джош Ворч, доцент кафедры химии, работают в разных областях, но вместе они создали новый класс материалов для микросхем. Благодаря значительной работе их команды исследователей-докторантов и аспирантов, включая Дон Хэ Хо, Мэн Цзяна и Рави Тутику, новые схемы пригодны для вторичной переработки, электропроводны, реконфигурируемы и самовосстанавливаются после повреждения. Тем не менее, они сохраняют прочность и долговечность традиционных пластмасс для печатных плат - свойства, редко встречающиеся в одном материале.

Новый материал начинается с остекловывания, динамичного полимера, которому можно изменять форму и перерабатывать вторично. Этот универсальный материал сочетается с капельками жидкого металла, которые проводят электрический ток так же, как это делают твердые металлы в традиционной цепи.

Это принципиально иной подход по сравнению с другой перерабатываемой или гибкой электроникой. Благодаря сочетанию высокоэффективных, адаптируемых полимеров с электропроводящими жидкими металлами новая схема выдерживает множество испытаний.

"Наш материал не похож на обычные электронные композиты", - сказал Бартлетт. "Печатные платы удивительно устойчивы и функциональны. Даже при механической деформации или повреждении они продолжают работать."

Вторая жизнь

Переработка традиционных печатных плат включает в себя несколько энергоемких этапов демонтажа и по-прежнему приводит к образованию большого количества отходов. При этом теряются ценные металлические компоненты на миллиарды долларов.

Утилизация печатной платы команды проста и может быть выполнена несколькими способами.

"Традиционные печатные платы изготавливаются из постоянных термореактивных материалов, которые невероятно трудно перерабатывать", - сказал Ворч. "Здесь наш динамический композитный материал может быть восстановлен или изменен по форме, если он поврежден воздействием тепла, и электрические характеристики не пострадают. Современные печатные платы просто не могут этого сделать".

Печатные платы vitrimer также могут быть разобраны по истечении срока службы с помощью щелочного гидролиза, что позволяет извлекать ключевые компоненты, такие как жидкий металл и светодиоды. Полное повторное использование всех компонентов проводящих композитов в замкнутом цикле остается целью будущих исследований.

Хотя, возможно, и невозможно ограничить количество электроники, выбрасываемой мировыми потребителями, эта работа представляет собой ключевой шаг на пути к тому, чтобы больше электроники не попадало на свалки.

Это исследование было поддержано Технологическим институтом Вирджинии через Институт критических технологий и прикладных наук и премию Национального научного фонда Бартлетта за раннее развитие карьеры преподавателей.