ノースカロライナ州立大学の研究者らは、寿命を迎えた電子デバイスからナノワイヤーを回収し、新しいデバイスに利用するための低コストな技術を実証しました。この研究は、より持続可能な電子機器に向けた一歩となります。論文 “ナノワイヤーパーコレーションネットワークのリサイクルによるサステイナブルなソフトエレクトロニクスの実現,” は、Advanced Electronic Materials 誌に掲載されました。
「この研究に関する論文の筆頭著者で、ノースカロライナ州立大学の博士課程に在籍するユクアン・リュー教授は、「電子材料のリサイクルには多くの関心が集まっています。「私たちは、ナノワイヤーのリサイクルを可能にするアプローチを実証しました。このアプローチは、貴金属や希土類元素を含む他のナノ材料にも拡張できると考えています」。
"我々のリサイクル技術は、従来のリサイクルとは異なります。"と、論文の責任著者で、NC Stateの機械・航空宇宙工学のAndrew A. Adams Distinguished ProfessorであるYong Zhu氏は言います。「ガラス瓶のリサイクルといえば、完全に溶かしてから別のガラスを作るのが一般的です。 私たちのアプローチでは、銀ナノワイヤーネットワークをデバイス内の他の材料から分離します。そして、そのネットワークを分解して、溶液中の個別の銀ナノワイヤーの集合体にします。これらのナノワイヤは、その後、新しいネットワークを作成し、新しいセンサーや他のデバイスに組み込むために使用することができます。"
新しいリサイクル技術は、デバイスのライフサイクル全体を考慮したものです。まず、ナノワイヤーを溶かさない溶媒に溶けるポリマーを使って、デバイスを設計する。デバイスが使用されると、銀ナノワイヤーを含むポリマーマトリックスが溶解し、ナノワイヤーネットワークが残される。次に、このネットワークを別の溶媒に入れ、超音波を照射する。すると、ナノワイヤーが分散され、ネットワークから分離される。
研究者らは概念実証として、患者の体温と水分補給を追跡できるウェアラブルヘルスセンサーパッチを作製しました。このセンサーは、ポリマー材料に埋め込まれた銀ナノワイヤーネットワークで構成されています。研究者たちは、センサーが完全に機能することを確認するためにテストを行った。センサーパッチは一度使用すると、通常は廃棄される。しかし、今回の実験では、ポリマーを水に溶かし、ナノワイヤーネットワークを取り出し、個々のナノワイヤーの集合体に分解し、そのナノワイヤーを使って、全く新しいウェアラブルセンサーを作り上げた。ライフサイクルごとにナノワイヤーネットワークの特性にわずかな劣化が見られたが、研究者は、センサーの性能を損なうことなくナノワイヤーを4回リサイクルできることを発見した。4回のライフサイクルの後、新しい銀ナノワイヤーを導入することで、ナノワイヤーネットワークの性能を向上させることができるのです。
「私たちの方法を用いれば、ナノワイヤーをより多く利用することができます。「また、ナノワイヤーが何度も分解されて再利用できなくなった後でも、従来のリサイクルの原料として利用することができます。廃棄物を大幅に減らすことができるんです」。リサイクルプロセスの鍵の1つは、ナノワイヤーネットワークを破壊するのに使用する表面張力の低い溶媒を特定することです。「表面張力が低いと、ネットワーク内のナノワイヤー間の狭い接合部に溶媒が拡散しやすくなり、ネットワークの解体が容易になるからです」とLiu教授は言う。
研究者らは、超音波でナノワイヤーネットワークを分解する際には、適切な時間のバランスを見つけることも重要であることを見いだした。 超音波を長時間当てすぎると、ナノワイヤーが壊れてしまいます。 また、超音波を当てる時間が短いと、ナノワイヤーの塊になってしまいます。
「今回実証した方法は、ナノ粒子、カーボンナノチューブ、他の種類のナノワイヤー、二次元材料など、ネットワークの形で使用する限り、他のナノ材料のリサイクルにも利用できます」とZhu教授は話す。
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