Los ingenieros de la Universidad de Duke han producido los primeros productos electrónicos impresos totalmente reciclables del mundo que reemplazan el uso de productos químicos con agua en el proceso de fabricación. Al pasar por alto la necesidad de productos químicos peligrosos, la demostración señala un camino que la industria podría seguir para reducir su huella ambiental y los riesgos para la salud humana.

La investigación apareció en línea el 28 de febrero en la revista Nano Letters.

Uno de los desafíos dominantes que enfrenta cualquier fabricante de productos electrónicos es asegurar con éxito varias capas de componentes uno encima del otro, lo cual es crucial para fabricar dispositivos complejos. Hacer que estas capas se peguen puede ser un proceso frustrante, especialmente para la electrónica impresa.

« Si está haciendo un sándwich de mantequilla de maní y mermelada, una capa en cada rebanada de pan es fácil », explicó Aaron Franklin, profesor Addy de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke, quien dirigió el estudio. « Pero si pones la mermelada primero y luego tratas de untarla con mantequilla de maní, olvídalo, la mermelada no se mantendrá y se mezclará con la mantequilla de maní. Poner capas una encima de la otra no es tan fácil ». como dejarlos solos, pero eso es lo que tienes que hacer si quieres construir dispositivos electrónicos con impresión ».

En trabajos anteriores, Franklin y su grupo demostraron los primeros productos electrónicos impresos totalmente reciclables. Los dispositivos utilizaron tres tintas a base de carbono : nanotubos de carbono semiconductores, grafeno conductor y nanocelulosa aislante. Al tratar de adaptar el proceso original para usar solo agua, los nanotubos de carbono presentaron el mayor desafío.

Para hacer una tinta a base de agua en la que los nanotubos de carbono no se aglutinen y se esparzan uniformemente sobre una superficie, se agrega un tensioactivo similar al detergente. La tinta resultante, sin embargo, no crea una capa de nanotubos de carbono lo suficientemente densa como para que una alta corriente de electrones los atraviese.

« Quieres que los nanotubos de carbono se vean como espaguetis al dente esparcidos sobre una superficie plana », dijo Franklin. « Pero con una tinta a base de agua, se ven más como si hubieran sido tomados uno por uno y arrojados en una pared para verificar que estén listos. Si estuviéramos usando productos químicos, podríamos imprimir varias pasadas una y otra vez hasta que había suficientes nanotubos. Pero el agua no funciona de esa manera. Podríamos hacerlo 100 veces y aún tendría la misma densidad que la primera vez ».

Esto se debe a que el surfactante utilizado para evitar que los nanotubos de carbono se aglutinen también evita que las capas adicionales se adhieran a la primera. En un proceso de fabricación tradicional, estos tensioactivos se eliminarían utilizando temperaturas muy altas, lo que requiere mucha energía, o productos químicos agresivos, que pueden presentar riesgos para la salud humana y ambiental. Franklin y su grupo querían evitar ambos.

En el artículo, Franklin y su grupo desarrollan un proceso cíclico en el que el dispositivo se enjuaga con agua, se seca a temperatura relativamente baja y se vuelve a imprimir. Cuando también se reduce la cantidad de surfactante utilizado en la tinta, los investigadores muestran que sus tintas y procesos pueden crear transistores totalmente funcionales, totalmente reciclables y totalmente a base de agua.

En comparación con una resistencia o un condensador, un transistor es un componente informático relativamente complejo que se utiliza en dispositivos como sensores y circuitos lógicos o de control de potencia. Franklin explica que, al demostrar primero un transistor, espera señalar al resto del campo que existe un camino viable para hacer que algunos procesos de fabricación de productos electrónicos sean mucho más amigables con el medio ambiente.

Franklin ya ha demostrado que casi el 100 % de los nanotubos de carbono y el grafeno utilizados en la impresión se pueden recuperar y reutilizar en el mismo proceso, perdiendo muy poco de las sustancias o de su viabilidad de rendimiento. Debido a que la nanocelulosa está hecha de madera, simplemente puede reciclarse o biodegradarse como el papel. Y aunque el proceso usa mucha agua, no es tanta como lo que se requiere para lidiar con los químicos tóxicos que se usan en los métodos de fabricación tradicionales.

Según una estimación de las Naciones Unidas, se recicla menos de una cuarta parte de los millones de libras de productos electrónicos que se desechan cada año. Y el problema solo empeorará a medida que el mundo finalmente se actualice a dispositivos 6G y el Internet de las cosas (IoT) continúe expandiéndose. Por lo tanto, cualquier mella que pueda hacerse en esta creciente montaña de basura electrónica es importante.

Si bien queda más trabajo por hacer, Franklin dice que el enfoque podría usarse en la fabricación de otros componentes electrónicos como las pantallas y las pantallas que ahora son omnipresentes en la sociedad. Cada pantalla electrónica tiene una placa posterior de transistores de película delgada similar a lo que se muestra en el documento. La tecnología de fabricación actual es de alta energía y se basa en productos químicos peligrosos y gases tóxicos. Toda la industria ha sido señalada para atención inmediata por parte de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.

« El rendimiento de nuestros transistores de película delgada no se compara con los mejores que se fabrican actualmente, pero son lo suficientemente competitivos como para mostrarle a la comunidad de investigadores que todos deberíamos trabajar más para que estos procesos sean más amigables con el medio ambiente », dijo Franklin.

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (1R01HL146849), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-22-1-0466) y la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-1542015, Beca de Investigación para Graduados 2139754).