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Engenheiros da Duke University produziram os primeiros eletrônicos impressos totalmente recicláveis do mundo que substituem o uso de produtos químicos por água no processo de fabricação. Ao ignorar a necessidade de produtos químicos perigosos, a demonstração indica um caminho que a indústria pode seguir para reduzir sua pegada ambiental e os riscos à saúde humana.
A pesquisa apareceu online em 28 de fevereiro na revista Nano Letras.
Um dos principais desafios enfrentados por qualquer fabricante de eletrônicos é garantir com sucesso várias camadas de componentes umas sobre as outras, o que é crucial para fabricar dispositivos complexos. Conseguir que essas camadas se unam pode ser um processo frustrante, especialmente para eletrônicos impressos.
“Se você está fazendo um sanduíche de manteiga de amendoim e geléia, uma camada em cada fatia de pão é fácil”, explicou Aaron Franklin, professor de engenharia elétrica e de computação da Duke, que liderou o estudo. “Mas se você colocar a geléia primeiro e depois tentar espalhar manteiga de amendoim por cima, esqueça, a geleia não vai ficar parada e vai se misturar com a manteiga de amendoim. Colocar camadas umas sobre as outras não é tão fácil como derrubá-los por conta própria – mas é isso que você precisa fazer se quiser construir dispositivos eletrônicos com impressão.”
Em trabalhos anteriores, Franklin e seu grupo demonstraram os primeiros eletrônicos impressos totalmente recicláveis. Os dispositivos usaram três tintas à base de carbono: nanotubos de carbono semicondutores, grafeno condutor e nanocelulose isolante. Ao tentar adaptar o processo original para usar apenas água, os nanotubos de carbono apresentaram o maior desafio.
Para fazer uma tinta à base de água em que os nanotubos de carbono não se aglomerem e se espalhem uniformemente sobre uma superfície, adiciona-se um surfactante semelhante ao detergente. A tinta resultante, no entanto, não cria uma camada de nanotubos de carbono densa o suficiente para passar por uma alta corrente de elétrons.
“Você quer que os nanotubos de carbono se pareçam com espaguete al dente espalhado sobre uma superfície plana”, disse Franklin. “Mas com uma tinta à base de água, eles parecem mais como se tivessem sido retirados um por um e jogados na parede para verificar o cozimento. Se estivéssemos usando produtos químicos, poderíamos simplesmente imprimir várias passagens repetidas vezes até que houvesse havia nanotubos suficientes. Mas a água não funciona assim. Poderíamos fazer isso 100 vezes e ainda haveria a mesma densidade da primeira vez.
Isso ocorre porque o surfactante usado para impedir que os nanotubos de carbono se agrupem também evita que camadas adicionais adiram à primeira. Em um processo de fabricação tradicional, esses surfactantes seriam removidos usando temperaturas muito altas, que consomem muita energia, ou produtos químicos agressivos, que podem representar riscos à saúde humana e ambiental. Franklin e seu grupo queriam evitar ambos.
No jornal, Franklin e seu grupo desenvolvem um processo cíclico no qual o dispositivo é enxaguado com água, seco em temperatura relativamente baixa e impresso novamente. Quando a quantidade de surfactante usada na tinta também é reduzida, os pesquisadores mostram que suas tintas e processos podem criar transistores totalmente funcionais, totalmente recicláveis e totalmente à base de água.
Comparado a um resistor ou capacitor, um transistor é um componente de computador relativamente complexo usado em dispositivos como controle de energia ou circuitos lógicos e sensores. Franklin explica que, ao demonstrar um transistor primeiro, ele espera sinalizar para o resto do campo que existe um caminho viável para tornar alguns processos de fabricação de eletrônicos muito mais ecológicos.
A Franklin já comprovou que quase 100% dos nanotubos de carbono e grafeno usados na impressão podem ser recuperados e reaproveitados no mesmo processo, perdendo muito pouco das substâncias ou sua viabilidade de desempenho. Como a nanocelulose é feita de madeira, ela pode ser simplesmente reciclada ou biodegradada como o papel. E embora o processo use muita água, não é tanto quanto o necessário para lidar com os produtos químicos tóxicos usados nos métodos tradicionais de fabricação.
De acordo com uma estimativa das Nações Unidas, menos de um quarto dos milhões de quilos de eletrônicos jogados fora a cada ano é reciclado. E o problema só vai piorar à medida que o mundo for atualizado para dispositivos 6G e a Internet das Coisas (IoT) continuar a se expandir. Portanto, é importante buscar qualquer entalhe que possa ser feito nessa crescente montanha de lixo eletrônico.
Embora mais trabalho precise ser feito, Franklin diz que a abordagem pode ser usada na fabricação de outros componentes eletrônicos, como telas e monitores que agora são onipresentes na sociedade. Todo display eletrônico possui um backplane de transistores de película fina semelhante ao que é demonstrado no artigo. A tecnologia de fabricação atual é de alta energia e depende de produtos químicos perigosos, bem como gases tóxicos. Toda a indústria foi sinalizada para atenção imediata pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA. [https://www.epa.gov/climateleadership/sector-spotlight-electronics]
“O desempenho de nossos transistores de filme fino não se equipara aos melhores atualmente fabricados, mas eles são competitivos o suficiente para mostrar à comunidade de pesquisa que todos devemos trabalhar mais para tornar esses processos mais ecológicos”, disse Franklin.
Este trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (1R01HL146849), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-22-1-0466) e pela National Science Foundation (ECCS-1542015, Graduate Research Fellowship 2139754).
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