A 3D rendering of the first fully recyclable, printed transistor (French: Un rendu 3D du premier transistor imprimé entièrement recyclable.) Image: Duke University

Il y a de l’espoir pour une nouvelle génération d’électronique recyclable pour aider à combattre l’épidémie mondiale croissante de déchets électroniques.

Derrière l’utilisation croissante de l’électronique dans la vie quotidienne, il y a une pile toujours plus grande d’appareils jetés qui ne fonctionnent plus ou qui ont été jetés en faveur d’un modèle plus récent. Les Nations unies estiment que moins d’un quart des millions de livres d’appareils électroniques jetés chaque année sont recyclés. Cette estimation est susceptible d’augmenter à mesure que le monde des appareils 5G et de l’Internet des objets (IoT) continue de se développer.

Le problème est que les appareils électroniques sont difficiles à recycler. Jusqu’à présent, les déchets de cuivre, d’aluminium et d’acier se sont avérés recyclables, mais les puces de silicium au cœur des appareils ne le sont pas.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l’université de Duke démontrent qu’un transistor entièrement recyclable et fonctionnel, composé de trois encres à base de carbone, peut être facilement imprimé sur du papier ou d’autres surfaces souples et écologiques.

« Les encres de nanotubes de carbone et de graphène sont utilisées respectivement pour les semi-conducteurs et les conducteurs. Bien que ces matériaux ne soient pas nouveaux dans le monde de l’électronique imprimée », explique Aaron Franklin, titulaire de la chaire Addy de génie électrique et informatique à Duke, « la voie de la recyclabilité a été ouverte avec le développement d’une encre diélectrique isolante dérivée du bois, appelée nanocellulose. »

Les composants informatiques à base de silicium ne disparaîtront probablement jamais, et nous ne nous attendons pas à ce que des produits électroniques facilement recyclables comme les nôtres remplacent la technologie et les appareils déjà largement utilisés“, Franklin a déclaré. “Mais nous espérons qu’en créant une nouvelle électronique entièrement recyclable et facilement imprimable et en montrant ce qu’elle peut faire, elle pourrait devenir largement utilisée dans de futures applications.

La nanocellulose est biodégradable et est utilisée dans des applications comme les emballages depuis des années“, a déclaré Franklin. “Et si les gens connaissent depuis longtemps ses applications potentielles en tant qu’isolant dans l’électronique, personne n’a encore trouvé comment l’utiliser dans une encre imprimable. C’est l’une des clés pour rendre fonctionnels ces dispositifs entièrement recyclables.

La cellulose isolante est imprimée sur d’autres composants à base de carbone pour produire le premier transistor imprimé entièrement recyclable. Les chercheurs espèrent inspirer une nouvelle génération de produits électroniques recyclables pour aider à lutter contre l’épidémie mondiale croissante de déchets électroniques.

Une méthode pour mettre en suspension des cristaux de nanocellulose

Pour réaliser cette électronique imprimée entièrement recyclable, les chercheurs ont développé une méthode de mise en suspension de cristaux de nanocellulose. Les cristaux ont été extraits de fibres de bois qui, saupoudrées d’un peu de sel de table, donnent une encre qui fonctionne admirablement bien comme isolant dans leurs transistors imprimés. En utilisant les trois encres dans une imprimante à jet d’aérosol à température ambiante, l’équipe montre que ses transistors entièrement en carbone sont suffisamment performants pour être utilisés dans une grande variété d’applications, même six mois après l’impression initiale.

L’équipe démontre ensuite à quel point leur conception est recyclable. En immergeant leurs dispositifs dans une série de bains, en les faisant vibrer doucement avec des ondes sonores et en centrifugeant la solution obtenue, les nanotubes de carbone et le graphène sont séquentiellement récupérés avec un rendement moyen de près de 100 %. Les deux matériaux peuvent ensuite être réutilisés dans le même processus d’impression en perdant très peu de leurs performances. Et comme la nanocellulose est fabriquée à partir de bois, elle peut simplement être recyclée avec le papier sur lequel elle a été imprimée.

Comparé à une résistance ou à un condensateur, un transistor est un composant informatique relativement complexe utilisé dans des dispositifs tels que les circuits logiques ou de contrôle de l’alimentation et divers capteurs. Franklin explique qu’en faisant la démonstration d’un transistor imprimé multifonctionnel et entièrement recyclable, il espère faire un premier pas vers la commercialisation de cette technologie pour des dispositifs simples. Par exemple, Franklin dit qu’il pourrait imaginer que cette technologie soit utilisée dans un grand bâtiment nécessitant des milliers de capteurs environnementaux simples pour surveiller sa consommation d’énergie ou des patchs de biodétection personnalisés pour le suivi des conditions médicales.

Les produits électroniques recyclables de ce type ne vont certainement pas remplacer toute une industrie d’un demi-milliard de dollars, et nous sommes certainement loin d’imprimer des processeurs informatiques recyclables“, a déclaré Franklin. “Mais la démonstration de ces types de nouveaux matériaux et de leur fonctionnalité est, espérons-le, un pas dans la bonne direction pour un nouveau type de cycle de vie de l’électronique.

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