Volgens de Verenigde Naties wordt minder dan een kwart van al het elektronische afval in de VS gerecycled. Alleen al in 2021 steeg het wereldwijde e-waste tot 57,5 ​​miljoen ton, en slechts 17,4% daarvan werd gerecycled.

Sommige experts voorspellen dat ons e-waste-probleem in de loop van de tijd alleen maar erger zal worden, omdat de meeste elektronica die tegenwoordig op de markt is, is ontworpen voor draagbaarheid, niet voor recyclebaarheid. Tablets en lezers worden bijvoorbeeld geassembleerd door circuits, chips en harde schijven te lijmen tot dunne lagen plastic, die moeten worden gesmolten om edele metalen zoals koper en goud te extraheren. Bij het verbranden van plastic komen giftige gassen vrij in de atmosfeer en elektronica die op de vuilnisbelt wordt weggegooid, bevat vaak schadelijke stoffen zoals kwik, lood en beryllium.

Maar nu heeft een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley een mogelijke oplossing ontwikkeld:een volledig recyclebare en biologisch afbreekbare printplaat. De onderzoekers, die het nieuwe apparaat rapporteerden in het tijdschrift Advanced Materials , zeggen dat de vooruitgang draagbare apparaten en andere flexibele elektronica van de stortplaats zou kunnen afleiden en de gezondheids- en milieurisico's van zwaar metaalafval zou kunnen verminderen.

"Als het gaat om plastic e-waste, is het gemakkelijk om te zeggen dat het onmogelijk is om het op te lossen en weg te lopen", zegt senior auteur Ting Xu, een faculteit senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en professor in de chemie en materiaalwetenschappen en techniek aan UC Berkeley. "Maar wetenschappers vinden meer bewijs van significante gezondheids- en milieuproblemen veroorzaakt door uitspoeling van e-waste in de bodem en het grondwater. Met deze studie laten we zien dat, hoewel je het hele probleem nog niet kunt oplossen, je op zijn minst het probleem van het terugwinnen van zware metalen aan te pakken zonder het milieu te vervuilen."

Enzymen aan het werk zetten

In een eerdere Natuur studie toonden Xu en haar team een ​​biologisch afbreekbaar plastic materiaal aan, ingebed met gezuiverde enzymen zoals Burkholderia cepacian lipase (BC-lipase). Door dat werk ontdekten ze dat heet water BC-lipase activeert, waardoor het enzym polymeerketens afbreekt tot monomeerbouwstenen. Ze leerden ook dat BC-lipase een kieskeurige "eter" is. Voordat een lipase een polymeerketen in monomeren kan omzetten, moet het eerst het uiteinde van een polymeerketen opvangen. Door te controleren wanneer de lipase het uiteinde van de ketting vindt, is het mogelijk om ervoor te zorgen dat de materialen niet degraderen totdat het water een bepaalde temperatuur heeft bereikt.

Voor het huidige onderzoek hebben Xu en haar team het proces nog verder vereenvoudigd. In plaats van dure gezuiverde enzymen, vertrouwen de biologisch afbreekbare gedrukte schakelingen op goedkopere, kant-en-klare BC lipase-"cocktails". Dit verlaagt de kosten aanzienlijk, wat de toegang van de gedrukte schakeling tot massaproductie vergemakkelijkt, zei Xu.

Door dit te doen, hebben de onderzoekers de technologie verder ontwikkeld, waardoor ze een bedrukbare "geleidende inkt" konden ontwikkelen die bestaat uit biologisch afbreekbare polyesterbindmiddelen, geleidende vulstoffen zoals zilvervlokken of roet, en in de handel verkrijgbare enzymcocktails. De inkt krijgt zijn elektrische geleidbaarheid van de zilver- of roetdeeltjes en de biologisch afbreekbare polyesterbindmiddelen werken als een lijm.

De onderzoekers leverden een commerciële 3D-printer met de geleidende inkt om circuitpatronen af ​​te drukken op verschillende oppervlakken, zoals hard biologisch afbreekbaar plastic, flexibel biologisch afbreekbaar plastic en doek. Dit bewees dat de inkt hecht aan verschillende materialen en een geïntegreerd apparaat vormt zodra de inkt droogt.

Om de houdbaarheid en duurzaamheid te testen, bewaarden de onderzoekers een gedrukte schakeling in een laboratoriumlade zonder gecontroleerde vochtigheid of temperatuur gedurende zeven maanden. Nadat ze het circuit uit de opslag hadden gehaald, zetten de onderzoekers een maand lang continue elektrische spanning op het apparaat en ontdekten dat het circuit net zo goed stroom geleidde als vóór de opslag.

Vervolgens testten de onderzoekers de recyclebaarheid van het apparaat door het onder te dompelen in warm water. Binnen 72 uur vielen de circuitmaterialen uiteen in de samenstellende delen - de zilverdeeltjes werden volledig gescheiden van de polymeerbindmiddelen en de polymeren vielen uiteen in herbruikbare monomeren, waardoor de onderzoekers de metalen gemakkelijk konden terugwinnen zonder aanvullende verwerking. Aan het einde van dit experiment hebben ze vastgesteld dat ongeveer 94% van de zilverdeeltjes kan worden gerecycled en hergebruikt met vergelijkbare apparaatprestaties.

Dat de afbreekbaarheid van het circuit na 30 dagen bedrijf voortduurde, verraste de onderzoekers, wat suggereert dat de enzymen nog steeds actief waren. "We waren verrast dat de enzymen zo lang 'leefden'. Enzymen zijn niet ontworpen om in een elektrisch veld te werken," zei Xu.

Xu schrijft de lange levensduur van de werkende enzymen toe aan de moleculaire structuur van het biologisch afbreekbare plastic. In hun vorige onderzoek ontdekten de onderzoekers dat het toevoegen van een enzymbeschermer, random heteropolymeer of RHP genaamd, helpt om de enzymen in het mengsel te verspreiden in clusters van enkele nanometers (miljardsten van een meter) groot. Dit creëert een veilige plek in het plastic waar enzymen inactief kunnen blijven totdat ze tot actie worden opgeroepen.

Het circuit is ook veelbelovend als een duurzaam alternatief voor kunststoffen voor eenmalig gebruik die worden gebruikt in tijdelijke elektronica - apparaten zoals biomedische implantaten of omgevingssensoren die na verloop van tijd uiteenvallen, zei hoofdauteur Junpyo Kwon, een Ph.D. student-onderzoeker van de Xu Group aan UC Berkeley.

Nu ze een biologisch afbreekbare en recyclebare printplaat hebben gedemonstreerd, wil Xu een printbare, recyclebare en biologisch afbreekbare microchip demonstreren.

"Gezien hoe geavanceerd chips tegenwoordig zijn, zal dit zeker niet gemakkelijk zijn. Maar we moeten proberen ons uiterste best te doen", zei ze. + Verder verkennen

Nieuw proces maakt 'biologisch afbreekbare' kunststoffen echt composteerbaar