Tấm nền của bảng mạch làm bằng lá cây

Rác điện tử được thải ra ở khắp mọi nơi và đang tích tụ nhanh chóng. Năm 2022, các nhà sản xuất đã thải ra 62 triệu tấn rác điện tử trên toàn cầu. Rakesh Nair, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và kỹ sư tại Viện Vật lý Ứng dụng thuộc Đại học Công nghệ Dresden (TU Dresden), cho biết, con số này dự kiến sẽ tăng thêm 30% vào năm 2030 vì các thiết bị điện tử hiện nay được thiết kế để sử dụng một lần. “Chúng tôi hoàn toàn có thể sản xuất các thiết bị có tuổi thọ 10, 20, thậm chí 30 năm. Nhưng chúng tôi cố tình giảm tuổi thọ của chúng để các bạn mua các mẫu mới."

Các bảng mạch in hay bo mạch in (PCB), nơi gắn các linh kiện điện tử với nhau thành một mạch điện tử hoàn chỉnh nhờ các đường dẫn điện được "in" trên một tấm vật liệu cách điện, chiếm tới 60% khối lượng rác thải điện tử. Hans Kleemann, nhà vật lý thực nghiệm tại TU Dresden, cho biết, tấm nền của bảng mạch thường được làm bằng nhựa cứng hoặc thủy tinh sợi pha với epoxy, một chất không thể tái chế và là “cốt lõi của vấn đề”. “Epoxy ngăn cản bạn tái chế hoặc tái sử dụng các cấu phần”. Vì vậy Kleemann, Nair và các cộng sự bắt đầu tìm kiếm giải pháp thay thế “xanh hơn”.

Ban đầu, Nair nghĩ đến việc sử dụng giấy để làm tấm nền, nhưng sau đó từ bỏ ý định này do việc sản xuất giấy đòi hỏi nhiều nước và gây ô nhiễm. Một ngày, khi nhìn vào cây mộc lan lớn gần viện nghiên cứu, ông chợt nghĩ ra ý tưởng sử dụng lá của nó.

Lá cây có thể phân hủy sinh học nhưng vẫn đủ bền để chịu được bão nhờ mạng lưới dày đặc các đường gân mảnh với thành phần là cơ chất phức hợp lignocellulose, có vai trò như một “khung xương”. Để biến lá mộc lan thành tấm nền của bảng mạch, trước tiên Nair loại bỏ các tế bào lá khỏi “khung xương” bằng phương pháp hóa học. Sau đó, ông lấp đầy “khung xương” bằng ethyl cellulose, một loại polymer có khả năng phân hủy sinh học. Kết quả, họ thu về tấm nền có thể chịu được tất cả các công đoạn trong sản xuất linh kiện điện tử, bao gồm khoan cắt bằng laser, in các mạch lên trên bằng mực bạc hay hàn các linh kiện vào tấm nền.

Không chỉ hoạt động hiệu quả, các tấm nền bằng lá cây của Nair còn có khả năng phân hủy rất tốt. Nhóm nghiên cứu có thể tách kim loại và linh kiện ra khỏi bảng mạch bằng cách ngâm chúng trong bể axit siêu âm. Phần tấm nền làm từ lá cây còn lại bắt đầu phân hủy chỉ sau một tháng được ủ compost.

Tấm nền làm từ lá cây cũng tạo ra ít khí thải trong quá trình sản xuất hơn so với tấm nền thông thường. Nair hình dung về một nhà máy sản xuất và tái chế thiết bị điện tử nằm cạnh rừng cây thương mại, cung cấp nguồn lá bền vững để chế tạo các tấm nền, sau đó có thể tái chế (phần linh kiện điện tử trên bảng mạch) hoặc phân hủy và sử dụng làm nhiên liệu (phần lá). “Không có gì bị lãng phí”, ông nói.

Clara Santato, nhà hóa học vật lý tại Đại học Bách khoa Montréal, đánh giá đây là một bước tiến có ý nghĩa hướng tới thiết bị điện tử bền vững. Hầu hết các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử xanh đang tìm kiếm các giải pháp thay thế các vật liệu hiếm và đắt tiền được sử dụng trong bảng mạch. Tuy nhiên, bà lưu ý, một công nghệ chưa đủ để khắc phục các vấn đề bền vững của cả ngành điện tử.

Giống như bất cứ công nghệ mới nổi nào, thách thức lớn nhất của tấm nền làm từ lá cây là được các nhà sản xuất chấp nhận. Dù tấm nền làm từ lá cây thể hiện tốt trong các thử nghiệm, nhưng điều đó chưa đủ để thuyết phục các nhà sản xuất. Do phân hủy sinh học, tấm nền làm từ lá cây có thể sẽ không đáp ứng một số tiêu chuẩn nhất định của ngành.

Theo Kleeman, trên thực tế, không thể vượt qua các vật liệu PCB hiện có xét về độ bền, và chúng là tiêu chuẩn tham chiếu cho các quy định hiện hành về linh kiện điện tử. "Có lẽ các cơ quan quản lý cần hạ tiêu chuẩn về độ bền xuống khoảng 5% để cho phép chúng tôi tham gia vào thị trường. Điều này chủ yếu phụ thuộc vào sự sẵn lòng thay đổi của ngành điện tử, vì họ phải thỏa hiệp," Kleeman nói.