الیزابت مونتالبانو | 01 ژوئن 2021 اخبار دانشگاه دوک
تیمی از دانشگاه دوک امیدوار است که این فناوری کمک کند تا مشکل زباله‌های الکترونیکی با ترانزیستورهای چاپی قابل بازیافت کاهش یابد.
بسیاری از محققان فکر می‌کنند بردهای الکترونیک چاپی راهی برای دستیابی به اهداف فرم تخت و انعطاف پذیر برای دستگاه‌های الکترونیکی در حال ظهور است. اکنون مهندسان در دانشگاه دوک یک قدم فراتر رفته و دستگاه الکترونیکی چاپی و کاملاً قابل بازیافت تولید کرده‌اند، اختراعی که می‌تواند به طور بالقوه میزان زباله ایجاد شده توسط دستگاه‌های الکترونیکی مدرن را کاهش دهد.
تیمی به سرپرستی آرون فرانکلین، استاد مهندسی الکترونیک و کامپیوتر در دوک، از سه جوهر بر پایه کربن برای تولید ترانزیستور برای مقابله با مشکل رو به رشد و بحرانی زباله‌های الکترونیکی استفاده کردند. چنین زباله‌هایی به سرعت در حال گسترش در سراسر جهان است.
محققان گفتند، بخشی از مشکل این است که بازیافت دستگاه‌های الکترونیکی دشوار است. آن‌ها گفتند در حالی که می‌توان ضایعات مس، آلومینیوم و فولاد را توسط کارگران کارخانه‌های بزرگ، بازیافت کرد، تراشه‌های سیلیکونی که اکثر دستگاه‌ها را تشکیل می‌دهند، نمیتوانند به سادگی بازیافت شوند.
فرانکلین گفت که فردی واقع بین است، زیرا می‌داند اجزای مبتنی بر سیلیکون و نوع اجزای الکترونیکی که در حال حاضر استفاده می‌شود به این زودی در طبیعت از بین نخواهند رفت. با این حال، با استفاده از وسایل الکترونیکی قابل بازیافت، در صورت یافتن گزینه‌های مناسب، حداقل برخی از مشکلات زباله آن‌ها قابل کاهش است.
وی در گفتگوی مطبوعاتی گفت: «ما امیدواریم كه با ایجاد وسایل الكترونیكی كاملاً قابل بازیافت و به راحتی چاپ‌شده و نشان دادن آن‌چه که آن‌ها می‌توانند انجام دهند، در برنامه‌های آینده به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند.»
در واقع، ترانزیستور یک جز رایانه‌ای نسبتاً پیچیده است که در دستگاه‌هایی مانند کنترل قدرت یا مدارهای منطقی و حسگرهای مختلف استفاده می‌شود. با نشان دادن یک ترانزیستور چاپی کاملاً قابل بازیافت و چند منظوره، ابتدا فرانکلین اظهار امیدواری کرد که این اولین قدم در جهت فناوری پیگیری تجاری برای دستگاه‌های ساده، مانند سنسورهای محیطی در ساختمان‌های سبز یا تکه‌های بیوسنس برای استفاده پزشکی باشد.
ایجاد جوهرهای جدید
محققان به طرح خود با جوهرهای مبتنی بر کربن متشکل از نانولوله‌های کربنی برای نیمه هادی‌های دستگاه و جوهر گرافن برای رساناها دست یافتند. جوهرها را می‌توان در یک چاپگر جت آئروسل استفاده کرد و روی کاغذ یا سایر سطوح انعطاف پذیر و سازگار با محیط زیست چاپ کرد.
فرانکلین اذعان کرد: «این مواد در حال حاضر در تولید برد چاپی استفاده می‌شود. به گفته وی، برای ساخت ترانزیستور کاملاً کاربردی که قابل بازیافت هستند، تیم، جوهر دی الکتریک عایق بر پایه چوب به نام نانوسلولوز، ماده قابل تجزیه بیولوژیکی که قبلاً به طور گسترده در بسته‌بندی استفاده می‌شد، تولید کردند.
با این حال، فرانکلین گفت اگرچه نانوسلولز برای دانشمندان مواد بیگانه نیست، کسی قبلاً نحوه استفاده از آن را با جوهر قابل چاپ درک نکرده است.
اینکه تیم وی چطور این کار را انجام داده اند ، ایجاد روشی برای تعلیق کریستالهای نانوسلولز استخراج شده از الیاف چوب بوده است. محققان گفتند که آن‌ها سپس آن‌ها را با نمک خوراکی مخلوط کردند تا جوهر ایجاد کنند که به عنوان یک عایق برای ترانزیستورهای چاپی آن‌ها عملکرد خوبی داشته باشد.
ساخت ترانزیستور
محققان از سه جوهر تولید شده – یکی ساخته شده از نانولوله‌های کربنی، یکی از گرافن و دیگری از نانو سلولز – در چاپگر جت آئروسل در دمای اتاق برای تولید ترانزیستورهای تمام کربن استفاده کردند. محققان گفتند، در آزمایشات، عملکرد دستگاه‌ها برای استفاده در طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها حتی به مدت شش ماه در ابتدا به خوبی انجام شد.
پس از دستیابی به قابلیت استفاده، تیم در صدد اثبات بازیافت دستگاه‌ها بود. آن‌ها ترانزیستورها را در یک استخر غرق کردند و به آرامی با امواج صوتی آن‌ها را لرزاندند و محلول حاصل را سانتریفیوژ کردند. به گفته آن‌ها، محققان توانستند نانولوله‌های کربنی و گرافن را با عملکرد متوسط نزدیک به 100 درصد بازیابی کنند.
این تیم مقاله‌ای درباره کار خود در مجله Nature Electronics منتشر کردند.
نه تنها محققان گزارش می‌دهند که دو مورد از مواد اصلی بازیابی شده است، بلکه آن‌ها همچنین گفته‌اند که می‌توان بدون افت چشمگیر عملکرد، از آن‌ها در همان فرآیند چاپ استفاده مجدد کرد. محققان گفتند، از آن‌جا که نانو سلولز از چوب گرفته شده است، می‌توان آن را به همراه کاغذی که روی آن چاپ شده بازیافت کرد.
