Nanodraht-Recycling: Ziel einer nachhaltigeren Elektronik erhält von der NCSU Auftrieb

Forscher der North Carolina State University haben eine kostengünstige Technik demonstriert, mit der Nanodrähte aus elektronischen Geräten, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben, wiedergewonnen und in neuen Geräten verwendet werden können. Die Arbeit ist ein Schritt in Richtung nachhaltigerer Elektronik.

„Es besteht großes Interesse am Recycling von elektronischen Materialien, weil wir sowohl den Elektroschrott reduzieren als auch die Nutzung seltener oder teurer Materialien maximieren möchten“, sagt Yuxuan Liu, Erstautor eines Artikels über die Arbeit und Doktorand an der NC State. „Wir haben einen Ansatz demonstriert, der es uns ermöglicht, Nanodrähte zu recyceln, und der unserer Meinung nach auf andere Nanomaterialien ausgeweitet werden könnte – einschließlich Nanomaterialien, die Edel- und Seltenerdelemente enthalten.“

„Unsere Recyclingtechnik unterscheidet sich vom konventionellen Recycling“, sagt Yong Zhu, korrespondierender Autor des Artikels und Andrew A. Adams Distinguished Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. „Wenn man an das Recycling einer Glasflasche denkt, wird diese vollständig eingeschmolzen, bevor sie zur Herstellung eines anderen Glasobjekts verwendet wird. Bei unserem Ansatz wird ein Silbernanodrahtnetzwerk vom Rest des Materials in einem Gerät getrennt. Dieses Netzwerk wird dann in einer Lösung in eine Ansammlung einzelner Silbernanodrähte zerlegt. Diese Nanodrähte können dann zur Herstellung eines neuen Netzwerks verwendet und in einen neuen Sensor oder andere Geräte eingebaut werden.“

Die neue Recyclingtechnik berücksichtigt den gesamten Lebenszyklus eines Geräts. Der erste Schritt besteht darin, Geräte aus Polymeren zu entwickeln, die in Lösungsmitteln löslich sind, die die Nanodrähte nicht auflösen. Sobald ein Gerät verwendet wurde, löst sich die Polymermatrix, die die Silbernanodrähte enthält, auf, wodurch das Nanodrahtnetzwerk zurückbleibt. Das Netzwerk wird dann in ein separates Lösungsmittel gegeben und mit Ultraschall beaufschlagt. Dadurch werden die Nanodrähte zerstreut und vom Netzwerk getrennt.

In einer Proof-of-Concept-Demonstration entwickelten die Forscher ein tragbares Sensorpflaster, mit dem sich Temperatur und Flüssigkeitshaushalt eines Patienten überwachen lassen. Der Sensor bestand aus Silbernanodrahtnetzwerken, die in ein Polymermaterial eingebettet waren. Die Forscher testeten die Sensoren, um sicherzustellen, dass sie voll funktionsfähig waren. Nach der Verwendung wird ein Sensorpflaster normalerweise entsorgt.

Für ihre Demonstration lösten die Forscher das Polymer in Wasser auf, entfernten das Nanodrahtnetzwerk, zerlegten es in eine Ansammlung einzelner Nanodrähte und verwendeten diese Nanodrähte dann, um einen brandneuen tragbaren Sensor zu entwickeln. Zwar verschlechterten sich die Eigenschaften des Nanodrahtnetzwerks nach jedem „Lebenszyklus“ geringfügig, doch die Forscher stellten fest, dass die Nanodrähte viermal recycelt werden konnten, ohne dass die Leistung des Sensors beeinträchtigt wurde.

Nach vier Lebenszyklen können Sie die Leistung des Nanodrahtnetzwerks verbessern, indem Sie der Mischung neue Silber-Nanodrähte hinzufügen.

„Mit unserem Ansatz können wir die Nanodrähte viel besser nutzen“, sagt Zhu. „Und selbst wenn die Nanodrähte schon viele Male so zersetzt wurden, dass sie nicht mehr wiederverwendet werden können, können wir sie immer noch als Ausgangsmaterial für konventionelles Recycling verwenden. Das bedeutet eine enorme Abfallreduzierung.“

Ein Schlüssel zum Recyclingprozess besteht darin, ein Lösungsmittel mit niedriger Oberflächenspannung zu finden, das zum Aufbrechen des Nanodrahtnetzwerks verwendet werden kann.

„Eine niedrige Oberflächenspannung ist wichtig, weil sie es dem Lösungsmittel erleichtert, in die schmalen Verbindungen zwischen den Nanodrähten im Netzwerk zu diffundieren und so die Demontage des Netzwerks zu erleichtern“, sagt Liu.

Die Forscher fanden heraus, dass es auch wichtig ist, die richtige Zeitbalance zu finden, wenn man die Nanodrahtnetzwerke mit Ultraschall aufbricht. Wenn man den Ultraschall zu lange anwendet, können die Nanodrähte brechen. Wenn man den Ultraschall nicht lange genug anwendet, können am Ende Klumpen von Nanodrähten entstehen.

„Der Ansatz, den wir hier demonstriert haben, könnte zum Recycling anderer Nanomaterialien verwendet werden – etwa Nanopartikel, Kohlenstoffnanoröhren, andere Arten von Nanodrähten und zweidimensionale Materialien – solange sie in Form eines Netzwerks verwendet werden“, sagt Zhu.

Das Papier, "Recycling eines Nanodraht-Perkolationsnetzwerks für nachhaltige Softelektronik„, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche elektronische Materialien. Mitautor des Artikels war Hongyu Wang, ein Doktorand an der NC State.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation im Rahmen des Stipendiums 1728370 durchgeführt.

(C) NCSU

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire