短命な家電製品に対する私たちのグローバルな強迫観念は、急速に大きなグローバルなゴミ問題を引き起こしています。 私たちの古いスマートフォン、PC、テレビ、その他のデバイスの5000万トンもの量が昨年廃棄され、次の新しいものを支持しました。
しかし、ウィスコンシン大学マディソン大学の研究者は、環境と良心で将来のスマートフォンとタブレットを簡単に放り出す驚くべき方法を開発しました。 彼らは、現代のマイクロプロセッサの有毒で非生分解性の材料の大部分を木材に置き換えています。
この研究は、米国農務省森林製品研究所と共同で行われ、最近公開された論文に詳しく記載されています ネイチャーコミュニケーションズ 。
具体的には、研究者の方法は、多くの場合ヒ素含有化合物ヒ化ガリウムで構成されるスマートフォンおよびタブレットチップの硬質ベースまたは基板材料をセルロースナノフィブリル（CNF）に置き換えます。 CNFは、木材の細胞壁をナノスケールに分解し、紙のようにシートに成形することで作られた柔軟で透明な材料です。
チームのチップ上の小さなトランジスタやその他のコンポーネントは、依然として金属やその他の潜在的に有毒な材料でできています。 しかし、使用されるこれらの材料の量は非常に少ないため、リード研究員であり、UW-Madisonの電気およびコンピューターエンジニアリングの教授であるZhenqiang "Jack" Maは、チップは菌類によって消費され、「肥料と同じくらい安全」になると言います。
もちろん、木材ベースのCNFは、モバイルチップの基板としてより一般的に使用される石油または金属ベースの材料と同じ特性を持ちません。 他の木材ベースの材料と同様に、CNFは水分を引き付け、温度変化に伴って膨張および収縮する傾向があります。どちらも、密に詰まった水分を嫌うマイクロチップの大きな問題です。 この材料を電子機器での使用により適したものにするために、米国農務省のZhiyong CaiとUW-MadisonのShaoqin "Sarah" Gongは、材料が水を引きつけて膨張するのを防ぐ生分解性エポキシコーティングを共同で作成しました。 また、材料をより滑らかにします。これは、小さなチップの構築に使用される材料にとって重要な特性です。 Maは、使用されるエポキシの量は、チップの持続時間に依存すると言います。 エポキシの使用量が少ないということは、真菌がチップをより早く分解できることを意味しますが、馬は真菌は常にエポキシを通り抜けるということです。
ヒ化ガリウムと同様に、CNFも無線周波数エネルギー損失を低くする必要があるため、チップで送受信される無線信号が劣化したりブロックされたりすることはありません。 「私たちのグループは、無線周波数エネルギー損失テストを行いました」とMa氏は言います。
研究者が材料が実行可能な代替物であると確信したら、次のステップは、チップからできるだけ多くのガリウムヒ素を除去し、それをCNFに置き換える方法を見つけ出すことでした。 そのために、Maは柔軟な電子機器を設計する他の研究からテクニックを借りました。
「フレキシブルエレクトロニクスを行う場合、シリコンまたはヒ化ガリウムの非常に薄い層を剥がすと、基板[下の材料]を保存できます」とMa氏は言います。 「だから、同じことをして、元の基材の単一層を剥がして、この木質基材のCNFの上に置いてみませんか。」
ガリウム砒素は、携帯電話の塔のように、長距離で信号を送信するためのはるかに優れた特性を持っているため、コンピュータープロセッサで一般的なシリコンではなく、基板として電話で使用されます。 しかし、ガリウム砒素の環境と希少性の問題にもかかわらず（それはまれな材料です）、誰も材料から薄膜タイプのトランジスタや回路を作成したことはなく、既存の技術は潜在的に有毒な物質よりも多くを使用していました必要。
一部のタイプのチップにはわずか10個のトランジスタが必要であり、それらが開発した技術により、4ミリメートルx 5ミリメートルの領域でそれ以上のトランジスタを作成できます。 「実際には、その領域から数千のトランジスタを構築し、それらのトランジスタを木製の基板に移動するだけです」とMa氏は言います。 「このCNF材料は驚くほど優れており、高周波アプリケーションを試した人は誰もいません。」
もちろん、バッテリーを含む携帯用電子機器には他の潜在的に有毒な材料があり、デバイスのガラス、金属、プラスチックのシェルが電子廃棄物の大部分を占めています。 しかし、環境に優しいプラスチックの進歩と、木材繊維を使用して3次元電池を作成する最近の研究により、いつかは老朽化したデバイスを交換することについて気分が良くなる可能性があります。
しかし、本当の課題は、大規模なチップ製造プラントと、それを採用または所有する企業を、現在の技術が非常に安価な場合に、より環境に優しい新しい方法に移行させることです。 ただし、規模を拡大すると、再生可能な木材からCNFを作成するためのコストも安価になり、デバイスメーカーが従来の基板から切り替えるようになります。 結局のところ、木材は豊富であり、ガリウムのように地面から採掘する必要はありません。 木材ベースの紙のほぼ2千年の歴史は、CNFを低くするコストを抑えるのにも役立つはずです。 「木材の分解プロセスは非常によく確立されています」とMa氏は言います。
CNFの柔軟な性質は、柔軟な電子デバイスの新しい分野に適したものになります。 しかし、Ma氏は、柔軟でウェアラブルで低コストのデバイスの出現により、あまり遠くない将来に電子廃棄物の量が大幅に増加する可能性があると警告しています。
「私たちは、フレキシブルエレクトロニクスの到来を目前にしています」とMa氏は言います。 「柔軟な電子機器の数は、1台の携帯電話と1台のタブレットまたはラップトップよりもはるかに多くなります。 おそらく10台のPCを使用する予定です。」
Maは、これらのすべてのデバイスによって生成される潜在的な電子廃棄物の量と、電子機器に木質材料を使用することで節約できるヒ化ガリウムなどの希少な材料の量が、最終的に経済的および環境的意味を持つことを望んでいます。
