Onderzoekers demonstreren techniek voor het recyclen van nanodraden in elektronica

Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een goedkope techniek aangetoond om nanodraden op te halen uit elektronische apparaten die het einde van hun bruikbaarheid hebben bereikt, en die nanodraden vervolgens in nieuwe apparaten te gebruiken. Het werk is een stap naar meer duurzame elektronica.

“Er is veel belangstelling voor het recyclen van elektronische materialen, omdat we zowel elektronisch afval willen verminderen als het gebruik dat we uit zeldzame of dure materialen halen, willen maximaliseren”, zegt Yuxuan Liu, eerste auteur van een paper over het werk en een Ph.D. . student aan NC State. “We hebben een aanpak gedemonstreerd waarmee we nanodraden kunnen recyclen, en waarvan we denken dat die kan worden uitgebreid naar andere nanomaterialen, waaronder nanomaterialen die edele en zeldzame aardelementen bevatten.”

“Onze recyclingtechniek verschilt van conventionele recycling”, zegt Yong Zhu, corresponderende auteur van het artikel en de Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering aan NC State. “Als je denkt aan het recyclen van een glazen fles, wordt deze volledig omgesmolten voordat er een ander glazen object van wordt gemaakt. In onze aanpak wordt een zilveren nanodraadnetwerk gescheiden van de rest van de materialen in een apparaat. Dat netwerk wordt vervolgens gedemonteerd in een verzameling losse zilveren nanodraden in oplossing. Die nanodraden kunnen vervolgens worden gebruikt om een ​​nieuw netwerk te creëren en in een nieuwe sensor of andere apparaten te verwerken.”

De nieuwe recyclingtechniek houdt rekening met de hele levenscyclus van een apparaat. De eerste stap is om apparaten te ontwerpen met polymeren die oplosbaar zijn in oplosmiddelen die niet ook de nanodraden oplossen. Zodra een apparaat is gebruikt, wordt de polymeermatrix met de zilveren nanodraden opgelost, waardoor het nanodraadnetwerk achterblijft. Het netwerk wordt vervolgens in een apart oplosmiddel geplaatst en met ultrageluid geraakt. Dit verspreidt de nanodraden en scheidt ze uit het netwerk.

In een proof-of-concept-demonstratie creëerden de onderzoekers een draagbare gezondheidssensorpatch die kan worden gebruikt om de temperatuur en hydratatie van een patiënt te volgen. De sensor bestond uit zilveren nanodraadnetwerken ingebed in een polymeermateriaal. De onderzoekers testten de sensoren om er zeker van te zijn dat ze volledig functioneel waren. Eenmaal gebruikt, wordt een sensorpleister normaal gesproken weggegooid.

Maar voor hun demonstratie losten de onderzoekers het polymeer op in water, verwijderden het nanodraadnetwerk, braken het op in een verzameling individuele nanodraden en gebruikten die nanodraden vervolgens om een ​​gloednieuwe draagbare sensor te maken. Hoewel er na elke “levenscyclus” een kleine verslechtering van de eigenschappen van het nanodraadnetwerk was, ontdekten de onderzoekers dat de nanodraden vier keer konden worden gerecycled zonder de prestaties van de sensor te schaden.

Na vier levenscycli kunnen de prestaties van het nanodraadnetwerk worden verbeterd door nieuwe zilveren nanodraden aan de mix toe te voegen.

“Met onze aanpak haal je veel meer uit de nanodraden”, zegt Zhu. “En zelfs nadat de nanodraden vele malen zijn afgebroken, tot het punt waarop ze niet opnieuw kunnen worden gebruikt, kunnen we ze nog steeds gebruiken als grondstof voor conventionele recycling. Het is een enorme vermindering van afval.”

Een sleutel tot het recyclingproces is het identificeren van een oplosmiddel met een lage oppervlaktespanning voor gebruik bij het opbreken van het nanodraadnetwerk.

“Een lage oppervlaktespanning is belangrijk omdat het het oplosmiddel gemakkelijker maakt om in de nauwe verbindingen tussen nanodraden in het netwerk te diffunderen, wat het demonteren van het netwerk vergemakkelijkt”, zegt Liu.

De onderzoekers ontdekten dat het ook belangrijk is om de juiste tijdsbalans te vinden bij het opbreken van de nanodraadnetwerken met ultrageluid. Als je de echo te lang toepast, kun je de nanodraden breken. Als je de echo niet lang genoeg toepast, kun je klompjes nanodraden krijgen.

“De aanpak die we hier hebben gedemonstreerd, kan worden gebruikt om andere nanomaterialen te recyclen, zoals nanodeeltjes, koolstofnanobuisjes, andere soorten nanodraden en tweedimensionale materialen, zolang ze worden gebruikt in de vorm van een netwerk”, zegt Zhu. .

Het artikel, “Recycling of Nanowire Percolation Network for Sustainable Soft Electronics”, is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Electronic Materials. Het papier was co-auteur van Hongyu Wang, een Ph.D. student aan NC State.