האובססיה הגלובלית שלנו לאלקטרוניקה צרכנית חלפה במהירות מביאה לבעיית זבל עולמית אדירה. עד 50 מיליון טונות מטלפונים חכמים ישנים, מחשבים אישיים, טלוויזיות ומכשירים אחרים הושלכו בשנה שעברה לטובת הדבר החדש הבא.
אולם חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון פיתחו דרך מפתיעה להקל על הסביבה ועל המצפון את השלכת הטלפונים החכמים והטאבלטים העתידיים. הם מחליפים את עיקר החומרים הרעילים והלא מתכלים במעבדים מיקרו-מודרניים בעץ.
המחקר נעשה בשיתוף עם המעבדה האמריקאית לחקלאות למוצרי יער, ומפורט במאמר שפורסם לאחרונה בתקשורת טבע .
באופן ספציפי, שיטת החוקרים מחליפה את בסיס הבסיס או חומר המצע הנוקשה בשבבי הסמארטפון והטאבלט, המורכבים לעתים קרובות מתרכובת גליניום ארסניד המכילה ארסן, בתאית ננופיבריל תאית (CNF). CNF הוא חומר גמיש ושקוף, המיוצר על ידי פירוק קירות התא בעץ לסולם הננו והרכבתו לסדינים, בדומה לנייר.
הטרנזיסטורים הזעירים ורכיבים אחרים בשבבי הצוות עדיין עשויים מתכות וחומרים אחרים שעלולים להיות רעילים. אולם כמות החומרים המשמשים כל כך קטנה, עד כי החוקרים המובילים והפרופסור להנדסת חשמל ומחשבים UW-Madison Zhenqiang "ג'ק" מא אומרים כי השבבים יכולים לצרוך על ידי פטריות ולהיות "בטוחים כמו דשן."
כמובן של- CNF על בסיס עץ אין את אותם מאפיינים כמו נפט או חומרים מבוססי מתכת המשמשים בדרך כלל יותר כמצעים בשבבים ניידים. כמו כל חומר על בסיס עץ, ל- CNF יש נטייה למשוך לחות ולהתרחב ולהתכווץ עם שינויי טמפרטורה - שתיהן הבעיות העיקריות למיקרו-שבבים מנוגדים לחות. בכדי להפוך את החומר ליותר מתאים לשימוש באלקטרוניקה, ג'יי -ונג קאי במחלקת החקלאות האמריקאית ושואקין "שרה" גונג באו-מדיסון פעלו יחד ליצירת ציפוי אפוקסי מתכלה, השומר על החומר לא למשוך מים ולהתרחב. זה גם הופך את החומר לחלק יותר, מאפיין חשוב עבור חומר המשמש לבניית שבבים זעירים. אמא אומרת שכמות האפוקסי שמשתמשת בה תלויה במשך הזמן של השבב להימשך. השימוש בפחות אפוקסי פירושו גם שפטרת יכולה לפרק את השבב במהירות רבה יותר, אך מא אומרת שפטרת תמיד תעשה את דרכה באפוקסי.
כמו ארציניד גליום, גם ל- CNF צריך להיות אובדן אנרגיה בתדר רדיו נמוך, כך שאיתות אלחוטיים המועברים ומקבלים על ידי השבב לא יבוזלו או ייחסמו. "הקבוצה שלנו ביצעה את בדיקת אובדן האנרגיה בתדר הרדיו", אומרת מא, "וגילינו, הו מגניב, הכל נראה טוב."
ברגע שהחוקרים היו בטוחים שהחומר מהווה תחליף בר-קיימא, השלב הבא היה להבין כיצד להסיר כמה שיותר גליציום ארסניד משבב ולהחליף אותו ב- CNF. לשם כך, מא לווה טכניקה מכמה מעבודותיו האחרות בעיצוב אלקטרוניקה גמישה.
"כשאנו מבצעים אלקטרוניקה גמישה, אנו מקלפים שכבה דקה מאוד של סיליקון או גליניום ארסניד, וניתן לחסוך את המצע [החומר שמתחת], " אומרת מא. "אז מדוע שלא נעשה את אותו הדבר ונקלף שכבה אחת של המצע המקורי ונניח אותו על CNF, המצע מבוסס עץ זה."
גליניום ארסניד משמש בטלפונים כמצע, ולא בסיליקון הנפוץ במעבדי מחשבים, מכיוון שיש לו תכונות טובות הרבה יותר להעברת אותות על מרחקים ארוכים - כמו למגדלי טלפון סלולרי. אבל מא אומרת כי למרות הבעיות הסביבתיות והמחסוריות עם גליניום ארסניד (זהו חומר נדיר), איש לא יצר טרנזיסטור או מעגל מסוג הסרט הדק מתוך החומר, והטכניקות הקיימות השתמשו יותר בחומר שעלול להיות רעיל מאשר נחוץ.
נדרשים כמה עשרה טרנזיסטורים עבור סוגים מסוימים של שבבים, והטכניקה שפיתחו מאפשרת ליצור יותר ויותר מזה בשטח של 4 עד 5 מילימטר. "למעשה, אנו יכולים לבנות אלפי טרנזיסטורים מהאזור הזה, ופשוט להעביר את הטרנזיסטורים הללו למצע העץ, " אומרת מא. "חומר ה- CNF הזה מפתיע לטובה ואף אחד לא ניסה אי פעם יישומים בתדר גבוה."
כמובן שישנם חומרים אחרים שעלולים להיות רעילים באלקטרוניקה ניידת, כולל בסוללות, ופגזי הזכוכית, המתכת והפלסטיק של המכשירים מהווים את עיקר הפסולת האלקטרונית. אולם ההתקדמות בפלסטיקה ידידותית לסביבה ועבודות אחרונות באמצעות סיבי עץ ליצירת סוללות תלת מימדיות מציעות תקווה שנוכל יום אחד להרגיש טוב יותר עם החלפת מכשירי ההזדקנות שלנו.
עם זאת, האתגר האמיתי, ככל הנראה, יהיה להשיג מפעלים לייצור שבבים מאסיביים, והחברות המעסיקות או מחזיקות אותן, לעבור לשיטות חדשות יותר וידידותיות לסביבה כאשר הטכניקות הנוכחיות כל כך לא יקרות. עם זאת, כשמגדלים אותם, עלויות יצירת CNF מעץ מתחדש צריכות להיות גם לא יקרות, וכך לסייע ליצרני מכשירים לעבור ממצעים מסורתיים יותר. אחרי הכל, עץ שופע, ולא צריך לכרות אותו מהאדמה כמו גליום. ההיסטוריה כמעט של אלפיים שנה של נייר מבוסס עץ צריכה לסייע גם בשמירה על עלות הפחתת ה- CNF. "תהליך פירוק העץ מבוסס היטב", אומרת מא.
אופיו הגמיש של CNF יהפוך אותו להתאים היטב לתחום המתהווה של מכשירים אלקטרוניים גמישים. אבל מא מזהירה כי הופעתם של מכשירים גמישים, לבישים בעלות נמוכה, ככל הנראה תגדיל משמעותית את כמות הפסולת האלקטרונית בעתיד הלא רחוק.
"אנחנו באופק ההגעה של אלקטרוניקה גמישה, " אומרת מא. "מספר הגאדג'טים האלקטרוניים הגמישים יהיה הרבה יותר מסתם טלפון אחד וטאבלט או מחשב נייד אחד. כנראה שיהיו לנו עשרה מחשבים. "
מא מקווה שכמות הפסולת האלקטרונית הפוטנציאלית שנוצרת על ידי כל המכשירים הללו בשילוב עם כמות החומרים הנדירים - גליום ארסניד ואחרים - שניתן לחסוך באמצעות שימוש בחומרים מבוססי עץ באלקטרוניקה, תביא בסופו של דבר לתחושה כלכלית וסביבתית.
