Questions-réponses : fabriquer de l’électronique respectueuse de l’environnement

Questions-réponses : fabriquer de l'électronique respectueuse de l'environnement

Une image du prototype de souris durable développé par l’équipe de Vikram Iyer et des collaborateurs de Microsoft Research, avec le couvercle retiré pour montrer le circuit imprimé biodégradable à l’intérieur. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Les composants mêmes qui rendent l’électronique rapide et facile à utiliser font également de leur élimination un cauchemar environnemental. Les composants des smartphones, des ordinateurs et même des appareils de cuisine contiennent des métaux lourds et d’autres composés qui sont toxiques pour nous et nocifs pour les écosystèmes.

Alors que l’électronique devient moins chère à l’achat, les déchets électroniques se sont accumulés. Un rapport de 2019 du Forum économique mondial a qualifié les déchets électroniques de “flux de déchets à la croissance la plus rapide au monde” – et pour cause. Cette même année, les gens ont généré plus de 50 millions de tonnes métriques de déchets électroniques, selon le Global E-waste Monitor de l’ONU. Une grande partie est incinérée, entassée dans des décharges ou exportée vers des pays à faible revenu où elle crée des risques pour la santé publique et l’environnement.

Trois chercheurs du University of Washington College of Engineering explorent des moyens de rendre l’électronique plus respectueuse de la Terre. Vikram Iyer, professeur adjoint à la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering et chercheur à l’UW Institute for Nano-engineering Systems, présentera une souris d’ordinateur fonctionnelle avec un boîtier biodégradable et un circuit imprimé lors de la conférence CHI 2022 à Mai. Aniruddh Vashisth, professeur adjoint de génie mécanique, crée des matériaux synthétiques qui, contrairement aux plastiques, peuvent être recyclés et réutilisés indéfiniment. Et Eleftheria Roumeli, professeure adjointe en science et ingénierie des matériaux et chercheuse au Molecular Engineering & Sciences Institute, utilise des matériaux biologiques, tels que des algues et d’autres algues, pour développer des alternatives aux plastiques qui peuvent être imprimées en 3D.

Pour le Jour de la Terre, UW News a contacté ces ingénieurs pour discuter de leurs projets.

Quelles fonctionnalités privilégiez-vous lors de la conception d’électronique durable ?

Vikram Iyer : Il y a beaucoup de problèmes importants à résoudre dans la conception d’électronique durable, y compris la réduction de l’impact environnemental des déchets électroniques. Nos groupes essaient de développer des solutions créatives à ce problème, comme l’utilisation de nouveaux matériaux plus respectueux de l’environnement tout en construisant des appareils fonctionnels qui ne compromettent pas les performances. Par exemple, la souris que nous avons conçue avec un circuit imprimé biodégradable fonctionne lorsque vous la branchez sur n’importe quel ordinateur.

Comment s’est déroulé le processus de conception de la souris ?

VI : Ce projet était une collaboration avec Bichlien Nguyen, chercheur principal chez Microsoft, et Vicente Arroyos, doctorant UW à la Allen School. Nous avons suivi plusieurs étapes pour fabriquer cette souris :

  • Nous avons optimisé la conception de nos circuits pour utiliser le moins de puces de silicium possible, car environ 80 % des émissions de carbone associées à la fabrication de l’électronique proviennent des processus énergivores utilisés pour fabriquer les puces.
  • Nous utilisons des matériaux biodégradables lorsque cela est possible. Par exemple, la carte de circuit imprimé qui maintient et connecte les puces ensemble contient généralement des retardateurs de flamme toxiques, mais nous modelons plutôt nos circuits sur une carte en fibres de lin. De plus, le boîtier de la souris est en plastique biodégradable.
  • Nous utilisons des puces programmables à usage général, comme des microcontrôleurs, dans nos conceptions afin de pouvoir les réutiliser dans de nouveaux appareils.
  • Nous utilisons un logiciel pour estimer l’impact environnemental de chaque étape de la production afin de quantifier les impacts environnementaux et d’identifier les étapes de notre conception à améliorer ensuite.

Ce n’est qu’un début, et notre vision à long terme est de développer de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes qui nous aident à générer un cycle de production pour l’électronique dans lequel tous les matériaux et composants peuvent être soit recyclés et réutilisés, soit dégradés et régénérés par la voie biologique naturelle. cycle.

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Le doctorant UW Vicente Arroyos utilise un prototype de souris biodégradable. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Est-il vraiment vrai que le boîtier et le circuit imprimé de la souris se dissolvent dans l’eau ?

VI : Lorsque nous immergeons notre circuit imprimé dans l’eau, les fibres commencent à se séparer et le tout se désintègre. Cela prend environ cinq à 10 minutes dans de l’eau chaude ou quelques heures à température ambiante. Après cela, il nous reste les puces et les traces de circuit que nous pouvons filtrer. Nous avons également conçu deux boîtiers différents, l’un pouvant se dissoudre dans l’eau et l’autre pouvant être composté commercialement.

Une souris biodégradable serait-elle aussi durable qu’une souris conventionnelle, en particulier contre la chaleur et l’humidité corporelles que nous produisons ?

VI : Il existe certainement des méthodes durables pour garantir que les composants biodégradables sont également durables. Par exemple, vous pouvez ajouter une fine couche de matériaux hydrofuges à la souris, comme le chitosane, qui se trouve naturellement dans le squelette externe des coquillages. Nous montrons également que nous pouvons imprimer le boîtier en acide polylactique, un matériau couramment utilisé pour fabriquer des choses comme des fourchettes compostables dans le commerce. À l’avenir, nous sommes vraiment ravis de nous associer à des chercheurs comme Eleftheria, dont le groupe fabrique de nouveaux matériaux durables. Et en nous associant étroitement aux chercheurs de Microsoft, nous espérons développer des solutions évolutives et déployables pour l’industrie.

Sur quels types de nouveaux matériaux travaille le groupe Roumeli ?

Eleftheria Roumeli : Notre groupe se concentre sur le développement de matériaux dérivés de la matière biologique. En plus des algues et d’autres formes d’algues, cela comprend les résidus végétaux et les produits microbiens. Nos études visent à approfondir notre compréhension de la manière dont ces matériaux naturels et polyvalents peuvent être utilisés comme blocs de construction composites pour des alternatives durables aux plastiques.

Comment fabriquez-vous des composants durables, comme des pièces biodégradables, pour l’électronique ?

ER : Ce qui est formidable, c’est que les méthodes de fabrication d’aujourd’hui peuvent être utilisées pour créer des composants électroniques durables. Par exemple, certains des matériaux d’origine biologique avec lesquels mon groupe travaille peuvent être transformés en encres et en filaments pour la fabrication de pièces à l’aide de l’impression 3D. Nous avons récemment publié un article décrivant les encres que nous avons développées à partir de cellules de spiruline – c’est un type d’algue bleu-vert – avec et sans fibres de cellulose comme charge. La cellulose est le polymère naturel le plus abondant et ces encres sont 100 % compostables dans le sol. Aucune installation de compostage spéciale n’est requise !

Quels sont les autres filaments alternatifs que vous pouvez utiliser pour l’impression 3D ?

ER : Nous pouvons également fabriquer des matériaux hybrides qui sont un mélange à la fois de matière biologique, comme les cellules de spiruline, et de polymères commerciaux dégradables. Pour le polymère, nous utilisons des matériaux de matrice tels que l’acide polylactique, que Vikram a mentionné précédemment et qui est le polymère compostable industriellement le plus largement disponible, ou le co-téréphtalate d’adipate de polybutylène, un polymère compostable par le sol. Le choix particulier des composants détermine les propriétés, les performances et la compostabilité de nos filaments.

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Les fibres de ce circuit imprimé biodégradable commencent à se séparer après une immersion prolongée dans l’eau. Ce prototype de circuit imprimé a été développé par l’équipe de Vikram Iyer et des collaborateurs de Microsoft Research. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Par exemple, pour les emballages, que nous achetons et « consommons » généralement très rapidement, puis jetons immédiatement, un matériau composé uniquement de composants biologiques serait préférable. Ensuite, après l’avoir utilisé, il pourrait être jeté dans une arrière-cour ou un site d’enfouissement et il se dégraderait en quelques semaines.

Mais si nous voulons un filament pour le type d’imprimante 3D le plus courant, nous aurions besoin d’un liant polymère pour garantir que le filament répond aux exigences de l’impression par extrusion à chaud.

Existe-t-il d’autres nouvelles innovations pour l’électronique durable ?

Aniruddh Vashisth : Nous travaillons notamment sur les polymères synthétiques recyclables. Contrairement à ce que l’équipe d’Eleftheria étudie, ces polymères ne sont pas dérivés de composants biologiques. Au lieu de cela, ces polymères consistent en un réseau adaptatif et peuvent être recyclés et retraités plusieurs fois.

Contrairement aux autres plastiques, ces matériaux ne perdent pas leurs propriétés thermomécaniques lors du retraitement et du recyclage. C’est excitant puisque vous pouvez réutiliser le même matériau encore et encore ! Ce phénomène de conservation des propriétés des matériaux est possible car les blocs de construction qui composent ces matériaux peuvent se détacher et se rattacher, tout comme les Legos.

Ainsi, lorsque nous recyclons, nous démontons et remontons les Legos. Nous nous sommes concentrés sur les composites de qualité aérospatiale, mais nous commençons à explorer d’autres applications avec un large éventail d’applications cibles.

Quel impact cela aurait-il sur le problème des déchets électroniques ?

AV : Les déchets électroniques d’aujourd’hui sont généralement un composite complexe, avec des composants en plastique, en métal et en céramique dans le même appareil. Le recyclage de ces matériaux est une tâche difficile, de sorte qu’ils finissent souvent dans des décharges et conduisent à la pollution.

À l’heure actuelle, il y a plus de 250 millions d’ordinateurs et 7 milliards de téléphones dans le monde. La plupart d’entre eux ont des composants polymères. Imaginez si les polymères utilisés dans ces appareils pouvaient être recyclés plusieurs fois. Ce serait un grand pas vers la durabilité ! Notre groupe a travaillé sur la façon de concevoir et de caractériser ces composites polymères recyclés pour un avenir plus durable.


Un nouveau matériau inspiré de la soie d’araignée pourrait aider à résoudre notre problème de plastique


Fourni par l’Université de Washington

Citation: Q&A: Making Earth-friendly electronics (2022, 21 avril) récupéré le 21 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-qa-earth-friendly-electronics.html

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