Secondo le Nazioni Unite, meno di un quarto di tutti i rifiuti elettronici statunitensi viene riciclato. Solo nel 2021, i rifiuti elettronici globali sono aumentati a 57,5 ​​milioni di tonnellate e solo il 17,4% è stato riciclato.

Alcuni esperti prevedono che il nostro problema dei rifiuti elettronici peggiorerà solo nel tempo, perché la maggior parte dell'elettronica sul mercato oggi è progettata per la portabilità, non per la riciclabilità. Tablet e lettori, ad esempio, vengono assemblati incollando circuiti, chip e dischi rigidi a sottili strati di plastica, che devono essere fusi per estrarre metalli preziosi come rame e oro. La combustione della plastica rilascia gas tossici nell'atmosfera e l'elettronica che viene sprecata nelle discariche spesso contiene materiali nocivi come mercurio, piombo e berillio.

Ma ora un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia e dell'UC Berkeley hanno sviluppato una potenziale soluzione:un circuito stampato completamente riciclabile e biodegradabile. I ricercatori, che hanno riportato il nuovo dispositivo sulla rivista Advanced Materials , affermano che il progresso potrebbe deviare i dispositivi indossabili e altri dispositivi elettronici flessibili dalle discariche e mitigare i rischi per la salute e l'ambiente rappresentati dai rifiuti di metalli pesanti.

"Quando si tratta di rifiuti elettronici di plastica, è facile dire che è impossibile risolverli e andarsene", ha affermato l'autore senior Ting Xu, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del laboratorio di Berkeley e professore di chimica e scienza dei materiali e ingegneria presso UC Berkeley. "Ma gli scienziati stanno trovando ulteriori prove di significative preoccupazioni per la salute e l'ambiente causate dalla lisciviazione dei rifiuti elettronici nel suolo e nelle acque sotterranee. Con questo studio, stiamo dimostrando che anche se non è ancora possibile risolvere l'intero problema, è possibile almeno affrontare il problema del recupero dei metalli pesanti senza inquinare l'ambiente."

Mettere in funzione gli enzimi

In una Natura precedente studio, Xu e il suo team hanno dimostrato un materiale plastico biodegradabile incorporato con enzimi purificati come la Burkholderia cepacian lipasi (BC-lipasi). Attraverso quel lavoro, hanno scoperto che l'acqua calda attiva la BC-lipasi, spingendo l'enzima a degradare le catene polimeriche in blocchi di costruzione di monomeri. Hanno anche appreso che la BC-lipasi è un "mangiatore" schizzinoso. Prima che una lipasi possa convertire una catena polimerica in monomeri, deve prima catturare l'estremità di una catena polimerica. Controllando quando la lipasi trova l'estremità della catena, è possibile garantire che i materiali non si degradino fino a quando l'acqua non raggiunge una certa temperatura.

Per il presente studio, Xu e il suo team hanno semplificato ulteriormente il processo. Invece di costosi enzimi purificati, i circuiti stampati biodegradabili si basano su "cocktail" di lipasi BC più economici e pronti per lo scaffale. Ciò riduce significativamente i costi, facilitando l'ingresso del circuito stampato nella produzione di massa, ha affermato Xu.

In tal modo, i ricercatori hanno avanzato la tecnologia, consentendo loro di sviluppare un "inchiostro conduttivo" stampabile composto da leganti in poliestere biodegradabile, riempitivi conduttivi come scaglie d'argento o nerofumo e cocktail di enzimi disponibili in commercio. L'inchiostro ottiene la sua conduttività elettrica dalle particelle di argento o nerofumo e i leganti in poliestere biodegradabile fungono da colla.

I ricercatori hanno fornito a una stampante 3D commerciale l'inchiostro conduttivo per stampare modelli di circuiti su varie superfici come plastica dura biodegradabile, plastica biodegradabile flessibile e stoffa. Ciò ha dimostrato che l'inchiostro aderisce a una varietà di materiali e forma un dispositivo integrato una volta che l'inchiostro si asciuga.

Per testarne la durata e la durata, i ricercatori hanno conservato un circuito stampato in un cassetto di laboratorio senza umidità o temperatura controllate per sette mesi. Dopo aver ritirato il circuito dall'immagazzinamento, i ricercatori hanno applicato una tensione elettrica continua al dispositivo per un mese e hanno scoperto che il circuito conduceva l'elettricità proprio come prima dell'immagazzinamento.

Successivamente, i ricercatori hanno testato la riciclabilità del dispositivo immergendolo in acqua calda. Entro 72 ore, i materiali del circuito si sono degradati nelle sue parti costituenti:le particelle d'argento si sono completamente separate dai leganti polimerici e i polimeri si sono scomposti in monomeri riutilizzabili, consentendo ai ricercatori di recuperare facilmente i metalli senza ulteriore elaborazione. Alla fine di questo esperimento, hanno determinato che circa il 94% delle particelle d'argento può essere riciclato e riutilizzato con prestazioni simili del dispositivo.

Il fatto che la degradabilità del circuito continuasse dopo 30 giorni di funzionamento ha sorpreso i ricercatori, suggerendo che gli enzimi fossero ancora attivi. "Siamo rimasti sorpresi dal fatto che gli enzimi siano vissuti così a lungo. Gli enzimi non sono progettati per funzionare in un campo elettrico", ha affermato Xu.

Xu attribuisce la longevità degli enzimi di lavoro alla struttura molecolare della plastica biodegradabile. Nel loro studio precedente, i ricercatori hanno appreso che l'aggiunta di un protettore enzimatico chiamato eteropolimero casuale, o RHP, aiuta a disperdere gli enzimi all'interno della miscela in gruppi di dimensioni di pochi nanometri (miliardesimi di metro). Questo crea un posto sicuro nella plastica in cui gli enzimi rimangono dormienti fino a quando non vengono chiamati all'azione.

Il circuito si mostra anche promettente come un'alternativa sostenibile alla plastica monouso utilizzata nell'elettronica transitoria, dispositivi come impianti biomedici o sensori ambientali che si disintegrano in un periodo di tempo, ha affermato l'autore principale Junpyo Kwon, un Ph.D. studente ricercatore del Gruppo Xu presso la UC Berkeley.

Ora che hanno dimostrato un circuito stampato biodegradabile e riciclabile, Xu vuole dimostrare un microchip stampabile, riciclabile e biodegradabile.

"Dato quanto i chip siano sofisticati al giorno d'oggi, questo non sarà certamente facile. Ma dobbiamo cercare di dare il massimo", ha detto. + Esplora ulteriormente

Il nuovo processo rende le plastiche "biodegradabili" veramente compostabili