Исследователи из Северо-восточного университета обнаружили, что материалы, используемые при разработке временной электроники — устройств, предназначенных для биоразложения по окончании срока службы, — могут распадаться на микропластик, что ставит под сомнение истинную растворимость этих устройств с течением времени.

Как утверждает Равиндер Дахия, профессор электротехники и вычислительной техники Северо-восточного университета и один из ведущих авторов исследования , один из полимерных материалов, широко используемый в медицине, PEDOT:PSS , способен сохранять свои свойства более восьми лет, а его деградация может приводить к образованию микропластиковых фрагментов.

Дахия проявляет большой интерес к изучению способов предотвращения превращения электрических систем в электронные отходы.

В исследовании, опубликованном в этом году в журнале npj Flexible Electronics, Дахия и София Сандху, бывший научный сотрудник его лаборатории, изучили биоразлагаемость двух временных электронных устройств — частично разлагаемого датчика давления и полностью разлагаемого фотодетектора.

Выбор материалов и воздействие на окружающую среду

В своих наблюдениях они подчеркнули важность правильного выбора материалов при разработке этих технологий. В то время как полимерные материалы, такие как целлюлоза и фиброин шелка, обладают высокой скоростью разложения и выделяют побочные продукты, не представляющие опасности для окружающей среды, другие могут быть довольно опасными, например, упомянутый ранее PEDOT:PSS.

«К этим материалам нужно относиться внимательно, — сказал Дахия. — Обычно по истечении срока службы электронные компоненты выбрасывают в почву. Когда вы помещаете электронную плату в почву, нам нужно понимать, обогащает ли она почву в процессе разложения или же почва остается нетронутой. В некоторых случаях разложение может нанести почве непоправимый ущерб, а это серьезная экологическая и медицинская проблема».

Моника Свами, аспирантка в лаборатории Дахии, руководит исследованием нового метода деградации, цель которого — лучше понять, как полимеры и полимерные устройства разлагаются в почве и выделяют продукты их распада. В этом исследовании она сосредоточилась на выделении углекислого газа , что помогает определить скорость деградации.

«В настоящее время мы проводим шестимесячный тест на разложение и проверяем, сколько времени требуется для полного разложения, а также определяем максимальное количество CO₂, _{образующегося} из этих органических соединений», — сказала она.

Рост рынка и проблемы производства

Как пояснил Дахия, за последнее десятилетие переходная электроника приобрела популярность, особенно в разработке медицинских устройств, таких как съедобная электроника и рассасывающиеся швы, и интерес к ней растет.

По оценкам исследовательской компании Grand View Research, объем мирового рынка биоразлагаемых полимеров для электроники в 2024 году составлял 126,47 млн ​​долларов США, а к 2033 году, по прогнозам, достигнет 246 млн долларов США.

Помимо изучения типов материалов, из которых состоит переходная электроника, Дахия исследует еще один важный экологический фактор — производственные процессы, лежащие в их основе.

Дахия объясняет, что в глобальном масштабе производство электроники чрезвычайно ресурсоемко и в значительной степени линейно — производство, использование и утилизация, что не является экологически чистым процессом.

Например, для изготовления одной кремниевой пластины, компонента, используемого для производства компьютерных чипов, может потребоваться до 6000 литров воды, смешанной с различными вредными химическими веществами, сказал он.

«Ежедневно обрабатываются миллионы вафель, — сказал Дахия. — Потребляется огромное количество воды, и из-за химического состава она превращается в сточные воды».

Уже сейчас существует глобальная проблема нехватки воды: по данным Всемирного экономического форума , к 2030 году 40% существующих предприятий по производству полупроводников, расположенных в водосборных бассейнах, столкнутся с «серьезными рисками нехватки воды». Поэтому производителям следует думать о сокращении, а не увеличении использования воды, пояснил он.

Перспективы развития устойчивой электроники

Дахия объяснил, что более эффективным способом производства электроники является замкнутая система, в которой отработанные материалы могут быть повторно использованы для изготовления других изделий, а многие электронные системы являются биоразлагаемыми, естественным образом обогащают почву или растворяются в воде.

«Наша долгосрочная цель — заменить все эти материалы экологически чистым оборудованием и в конечном итоге разработать электронику, которая вообще не потребует утилизации электронных отходов», — сказал он.