Новый композит: перерабатываемая электроника на жидком металле

Мировая проблема электронных отходов растет с каждым днем, значительно опережая возможности переработки. Традиционные методы утилизации дороги, трудоемки, а ненадлежащая обработка грозит выбросом токсичных веществ, таких как свинец и ртуть, подвергая опасности как работников, так и окружающую среду. Если ситуация не изменится, к 2030 году ежегодный объем электронных отходов может достигнуть 60 миллионов тонн, что является прямым следствием нашей неуемной страсти к гаджетам.

Эта тревожная перспектива вдохновила исследователей из Вашингтонского университета на создание инновационного, легко перерабатываемого материала, который потенциально может заменить традиционные печатные платы — основу большинства электронных устройств. Разработанный композит отличается гибкостью, способностью к самовосстановлению и проводимостью без необходимости в дополнительных компонентах. Эти свойства открывают путь к созданию более устойчивого поколения носимой электроники, гибкой робототехники и других передовых устройств.

«Нам удалось интегрировать множество функций в один материал, — делится старший автор исследования, доцент кафедры машиностроения Вашингтонского университета Мохаммад Малакути. — Наша цель — создать универсальную платформу для гибких, многоразовых устройств».

Новый материал представляет собой гибкий и эластичный композит, состоящий из полимера, наполненного микроскопическими каплями сплава жидкого металла на основе галлия. В отличие от традиционных печатных плат, где электрические сигналы проходят по металлическим дорожкам, закрепленным на жесткой основе из стекловолокна и смолы, в новом материале схема создается путем легкого процарапывания поверхности. Это соединяет соседние капли жидкого металла, обеспечивая проводимость, в то время как остальная часть материала остается диэлектриком.

Лаборатория Малакути с 2019 года активно исследует полимеры, наполненные жидким металлом, используя машинное обучение для оптимизации композиций. Однако растущая стоимость жидкого металла побудила команду сосредоточиться на аспектах повторного использования материала.

Кроме уникального способа создания проводящих дорожек, новый композит обладает и другими впечатляющими свойствами. Полимер, удерживающий капли жидкого металла, не только прочен и эластичен, но и может быть разложен с помощью простого химического процесса, что позволяет эффективно извлекать металл для дальнейшего использования. Эксперименты показали, что исследователям удалось восстановить 94% металла из образцов.

Более того, материал обладает способностью к самовосстановлению. Его можно разрезать на части, переконфигурировать и снова соединить, используя лишь тепло и давление. Даже разрезанная и затем восстановленная электрическая схема сохраняет свою работоспособность.

Малакути видит будущее электроники, построенное на таких композитах, где принципы использования, ремонта, реконфигурации и, в конечном итоге, переработки будут лежать в основе жизненного цикла устройств. Вместо массового производства гаджетов с последующей их утилизацией, он предлагает проектировать устройства и их компоненты с учетом всех этапов их существования.

«Мы стремимся внести свой вклад уже сейчас, чтобы сформировать будущее гибкой и носимой электроники, — подчеркивает Малакути. — Мы не можем просто создавать устройства, а потом пытаться понять, как их перерабатывать. Именно так мы и пришли к проблеме электронных отходов, с которой сталкиваемся сегодня. Я хочу решать эту проблему с самого начала».