Bước tiến mới ngành khoa học hiện đại: Thiết bị điện tử in 3D có thể tái chế hoàn toàn

Nghiên cứu về điện tử in và thiết bị điện tử tạm thời đang bùng nổ trong những năm gần đây, nhằm đáp ứng nhu cầu tạo ra các thiết bị thân thiện với môi trường và chi phí thấp.

Các thiết bị điện tử có thể sử dụng lâu dài được in 3D bằng mực vật liệu nano carbon. Chúng có thể được tái chế và sản xuất thành những thiết bị điện tử mới mà không bị chôn lấp gây ô nhiễm môi trường.

Bằng cách sử dụng một loại mực in từ carbon, các kỹ sư chế tạo mạch có thể in 3D các mạch điện tử này và chúng hoàn toàn có khả năng tái chế. Các thiết bị này có độ bền và hiệu suất cao, có thể sử dụng trong nhiều tháng và phân hủy khi thải loại để tái sử dụng vật liệu carbon.

Aaron Franklin, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính thuộc Đại học Duke, tác giả báo cáo kết quả nghiên cứu, cho biết, thiết bị điện tử carbon có thể tái chế không phải để thay thế các thiết bị điện tử silicon.

Đây là một phương pháp nhằm giải quyết cơn khát về những thiết bị điện tử nhúng đang có mặt ở khắp mọi nơi, đồng thời có ưu điểm là không phải xả một lượng khổng lồ chất độc hại ra môi trường.

In phun 3D thiết bị điện tử trên giấy. In phun 3D thiết bị điện tử trên giấy.

Các thiết bị điện tử tạm thời này được thiết kế có giá trị thấp, chỉ sử dụng cho một mục đích duy nhất với giới hạn thời gian đã được lập trình trước đó, sau đó sẽ phân hủy hoàn toàn sau khi sử dụng.

Công nghệ in 3D vi mạch điện tử trước đây vẫn sử dụng một số kỹ thuật ngoài máy in.

GS Franklin cho biết: “Chúng tôi đặt mục tiêu in toàn bộ mảng điện tử tại chỗ. Chúng tôi đặt chất nền (giấy) vào máy in, in tất cả các chi tiết cần thiết và sau đó kéo ra. Khi đó, thiết bị điện tử đã sẵn sàng để kiểm tra".

Mực in nanocellulose

Để có được những thiết bị chất lượng cao này, các nhà khoa học chế tạo ra mực carbon cho cả ba yếu tố chính của bóng bán dẫn màng mỏng: chất bán dẫn, chất dẫn điện và chất cách điện.

Các loại mực bán dẫn và dẫn điện được làm từ các ống nano carbon và graphene đã có sẵn từ lâu.

Sáng kiến quan trọng nhất là loại mực cách điện mới của nhóm nghiên cứu. Để chế tạo loại mực này, nhóm đã sử dụng nanocellulose, một vật liệu dồi dào, có thể phân hủy sinh học được làm từ bột gỗ.

Nanocellulose được dùng phổ biến trong bao bì thực phẩm, mỹ phẩm và những sản phẩm gỗ. Các loại giấy sản xuất từ nanocellulose cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như một chất cách điện.

Nhưng Franklin và các đồng nghiệp đã lần đầu tiên huyền phù hóa nanocellulose trong một dung dịch, sau đó dùng nó như một loại mực in 3D trong mạch in.

Sử dụng một phiên bản tiên tiến so với các máy in phun thông thường, nhóm nhà khoa học của Giáo sư Franklin đã in loại mực này lên giấy và tạo ra các bóng bán dẫn.

Máy in phun sẽ thổi mực thành một màn sương, nhỏ các giọt siêu nhỏ và dẫn khí dung này lên bề mặt giấy bằng khí trơ. Những kỹ thuật cơ bản này có thể được chuyển sang in cuộn giấy trên rulo, chế tạo hàng nghìn thiết bị nhanh chóng.

Theo GS Franklin, các thiết bị điện tử carbon được sản xuất "có thời hạn sử dụng dài đáng kinh ngạc”.

Các bóng bán dẫn trần, không có bất kỳ lớp phủ bảo vệ hoặc bao bọc nào, được đặt trên kệ phòng thí nghiệm trong chín tháng nhưng không hề suy giảm hiệu suất.

Thiết bị điện tử in trên giấy và ứng dụng thực tế

Khâu tái chế các thiết bị thải loại này cũng rất đơn giản.

Chỉ cần ngâm thiết bị điện tử giấy trong một loạt bồn nước, sử dụng sóng rung để tách ra các thành phần vật liệu.

Các ống nano carbon và graphene được lọc ra, thu hồi nhằm tái sử dụng cho việc in ấn. Nanocellulose và chất nền giấy có thể được đem đi tái chế riêng biệt.

Tuy có nhiều ưu điểm, các thiết bị điện tử carbon này vẫn tạo ra silicon và những chất thải khác.

Các nhà khoa học đang phát triển một số ứng dụng đối với thiết bị điện tử carbon in 3D này.

Những thiết bị điện tử trên giấy in carbon có thể mở ra một chân trời mới về các thiết bị điện tử thông minh sử dụng một lần không gây ô nhiễm môi trường.

Theo Khoa học & Đời sống