Forscher der North Carolina State University haben eine kostengünstige Technik zur Rückgewinnung von Nanodrähten aus elektronischen Geräten, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben, und zur anschließenden Verwendung dieser Nanodrähte in neuen Geräten vorgestellt. Diese Arbeit ist ein Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Elektronik. Die Arbeit mit dem Titel "Recycling of Nanowire Percolation Network for Sustainable Soft Electronics" wurde in der Zeitschrift Advanced Electronic Materials veröffentlicht.
"Es besteht ein großes Interesse am Recycling elektronischer Materialien, da wir sowohl den Elektronikmüll reduzieren als auch den Nutzen seltener oder teurer Materialien maximieren wollen", 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 von dem wir glauben, dass er auf andere Nanomaterialien ausgeweitet werden kann - einschließlich Nanomaterialien, die edle und seltene Erden enthalten."
"Unsere Recyclingtechnik unterscheidet sich vom konventionellen Recycling", sagt Yong Zhu, korrespondierender Autor der Studie und Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering an der NC State. "Wenn man an das Recycling einer Glasflasche denkt, wird diese vollständig eingeschmolzen, bevor sie zur Herstellung eines neuen Glasobjekts verwendet wird. Bei unserem Ansatz wird ein Silber-Nanodraht-Netzwerk von den übrigen Materialien in einem Gerät getrennt. Dieses Netzwerk wird dann in eine Sammlung einzelner Silber-Nanodrähte in Lösung zerlegt. Diese Nanodrähte können dann verwendet werden, um ein neues Netzwerk zu schaffen und in einen neuen Sensor oder andere Geräte einzubauen.
Die neue Recyclingtechnik berücksichtigt den gesamten Lebenszyklus eines Geräts. Der erste Schritt besteht darin, Bauelemente aus Polymeren zu entwickeln, die in Lösungsmitteln löslich sind, die nicht auch die Nanodrähte auflösen. Nach der Verwendung eines Bauelements wird die Polymermatrix, die die Silbernanodrähte enthält, aufgelöst, wobei das Nanodrahtnetz zurückbleibt. Das Netzwerk wird dann in ein anderes Lösungsmittel gegeben und mit Ultraschall beschossen. Dadurch werden die Nanodrähte dispergiert und aus dem Netzwerk herausgelöst.
In einer Proof-of-Concept-Demonstration entwickelten die Forscher ein tragbares Sensorpflaster, mit dem Temperatur und Flüssigkeitszufuhr eines Patienten überwacht werden können. Der Sensor bestand aus Silber-Nanodraht-Netzwerken, die in ein Polymermaterial eingebettet waren. Die Forscher testeten die Sensoren, um sicherzustellen, dass sie voll funktionsfähig waren. Normalerweise wird ein Sensorpflaster nach Gebrauch entsorgt. Für ihre Demonstration lösten die Forscher jedoch das Polymer in Wasser auf, entfernten das Nanodraht-Netzwerk, zerlegten es in einzelne Nanodrähte und verwendeten diese Nanodrähte dann zur Herstellung eines brandneuen, tragbaren Sensors. Obwohl sich die Eigenschaften des Nanodraht-Netzwerks nach jedem "Lebenszyklus" geringfügig verschlechterten, stellten die Forscher fest, dass die Nanodrähte viermal recycelt werden konnten, ohne die Leistung des Sensors zu beeinträchtigen. Nach vier Lebenszyklen kann man die Leistung des Nanodraht-Netzwerks verbessern, indem man neue Silber-Nanodrähte in die Mischung einbringt.
"Mit unserem Ansatz kann man die Nanodrähte viel länger nutzen", sagt Zhu. "Und selbst wenn sich die Nanodrähte so oft zersetzt haben, dass sie nicht mehr wiederverwendet werden können, können wir sie immer noch als Ausgangsmaterial für konventionelles Recycling verwenden. Das ist eine enorme Reduzierung des Abfalls. Ein Schlüssel zum Recyclingprozess ist die Suche nach einem Lösungsmittel mit niedriger Oberflächenspannung, das zum Aufbrechen des Nanodraht-Netzwerks verwendet werden kann. "Eine niedrige Oberflächenspannung ist wichtig, weil sie es dem Lösungsmittel erleichtert, in die engen Verbindungsstellen zwischen den Nanodrähten im Netzwerk zu diffundieren, was die Demontage des Netzwerks erleichtert", sagt Liu.
Die Forscher fanden heraus, dass es auch wichtig ist, das richtige Zeitgleichgewicht zu finden, wenn man die Nanodraht-Netzwerke mit Ultraschall aufbricht. Wenn man den Ultraschall zu lange anwendet, können die Nanodrähte brechen. Wenn man den Ultraschall nicht lange genug anwendet, kann es zu Klumpen von Nanodrähten kommen.
"Der hier gezeigte Ansatz könnte auch für das Recycling anderer Nanomaterialien verwendet werden, z. B. von Nanopartikeln, Kohlenstoff-Nanoröhren, anderen Arten von Nanodrähten und zweidimensionalen Materialien, sofern sie in Form eines Netzwerks verwendet werden", so Zhu.
Weitere Informationen finden Sie unter: https://news.ncsu.edu/2021/07/recycling-nanowires-in-electronics/
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