Electrónica verde: placas de circuitos de materias primas renovables

25 de abril de 2023

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por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales

Durante muchos años, Thomas Geiger ha realizado investigaciones en el campo de las fibrillas de celulosa, fibras finas que se pueden producir a partir de pulpa de madera o desechos agrícolas, por ejemplo. Las fibrillas de celulosa tienen un gran potencial para la producción sostenible y la descarbonización de la industria: crecen de forma neutra en CO2, se queman sin residuos e incluso son compostables. Se pueden utilizar para muchos fines, por ejemplo, como refuerzo de fibra en productos de caucho técnico, como membranas de bombas.

Pero, ¿quizás las fibrillas de celulosa también se pueden usar para hacer placas de circuito que reduzcan la huella ecológica de las computadoras? Las placas de circuito impreso (PCB) en particular son todo menos inocentes desde el punto de vista ecológico: por lo general, consisten en fibras de vidrio empapadas en resina expoxi. Un material compuesto de este tipo no es reciclable y, hasta ahora, solo puede eliminarse correctamente en plantas especiales de pirólisis.

Geiger ya había producido placas de circuitos a partir de fibrillas de celulosa e investigado su biodegradación. Mezcladas con agua, las biofibrillas producen un lodo espeso que se puede deshidratar y compactar en una prensa especial. Junto con un colega, produjo 20 tableros experimentales, que fueron sometidos a varias pruebas mecánicas y finalmente equipados con componentes electrónicos. La prueba tuvo éxito y la placa de celulosa liberó los componentes soldados después de algunas semanas en suelo natural.

Geiger había estado involucrado anteriormente en un proyecto de Innosuisse junto con la Universidad de Ciencias Aplicadas OST en Rapperswil, que producía piezas de carcasa para ratones de computadora. Las partes de la carcasa tienen un brillo sedoso y son similares en color y tacto a las piezas de trabajo hechas de marfil. Pero no se pudo encontrar ningún fabricante que quisiera adoptar el método. La competencia de precios para la electrónica pequeña todavía es demasiado grande para esto, y los procesos convencionales de moldeo por inyección de plástico tienen una clara ventaja a este respecto.

Recientemente, surgió la oportunidad de aprovechar los hallazgos existentes: se le preguntó a la especialista en sostenibilidad de Empa, Claudia Som, si le gustaría colaborar en el proyecto de investigación de la UE Hypelignum. Está dirigido por el instituto sueco de investigación de materiales RISE y está buscando nuevas formas de producir productos electrónicos de manera sostenible. Claudia Som contó con la ayuda de su colega Thomas Geiger.

El proyecto comenzó en octubre de 2022 y el consorcio de investigación, con participantes de Austria, Eslovenia, España, los Países Bajos, Suecia y Suiza, planea producir y evaluar placas de circuito ecológico hechas de varios materiales: además de celulosa nanofibrilada (CNF), la lana de madera y la pulpa de madera se están investigando como base; la chapa de madera también se está utilizando como base para las placas de circuito.

Dos laboratorios de Empa colaboran en el proyecto: en primer lugar, los especialistas en sostenibilidad liderados por Claudia Som del laboratorio de Tecnología y Sociedad. Som utilizará bases de datos de materiales para calcular la huella ecológica de las placas de circuitos ecológicos y comparar los conceptos individuales entre sí. Thomas Geiger del laboratorio de Materiales de Celulosa y Madera de Empa fabricará las placas de circuito a partir de materias primas renovables.

La electrónica verde ha sido durante mucho tiempo un foco de investigación del laboratorio, que está dirigido por Gustav Nyström; El equipo de Nyström ya ha desarrollado varios componentes electrónicos impresos a partir de materiales biodegradables, como baterías y pantallas. Sin embargo, los requisitos para las placas de circuito de computadora producidas industrialmente no son triviales: las placas no solo deben tener una alta resistencia mecánica, sino que tampoco deben hincharse en condiciones húmedas ni formar grietas con una humedad muy baja.

"Las fibras de celulosa pueden ser una muy buena alternativa a los compuestos de fibra de vidrio", explica Geiger. "Desaguamos el material en una prensa especial con 150 toneladas de presión. Luego, las fibrillas de celulosa se pegan entre sí sin ningún aditivo. A esto lo llamamos 'hornificación'". La clave aquí es a qué presión, temperatura y durante cuánto tiempo se proceso de prensado debe llevarse a cabo para producir resultados óptimos.

El proyecto de la UE Hypelignum tiene objetivos ambiciosos: su objetivo no solo es estudiar placas de circuito impreso hechas de materias primas renovables y compostables, sino también desarrollar tintas conductoras para las conexiones eléctricas entre componentes individuales. Estas tintas a menudo se fabrican a base de nanopartículas de plata. Los investigadores buscan materiales sustitutos más baratos y menos escasos, así como un método de producción ecológico de estas nanopartículas.

Al final del proyecto, cuatro demostradores deberán mostrar lo que se ha logrado: una placa de circuito impreso ecológicamente ejemplar, un gran elemento de construcción de madera que estará equipado con sensores y actuadores, muebles que estarán equipados con sensores en una línea de producción automatizada y, finalmente, un demostrador que demostrará la reciclabilidad de todos estos componentes.

En 2022, un grupo de investigación de Empa dirigido por Gustav Nyström logró construir una pantalla biodegradable basada en hidroxipropilcelulosa (HPC). Utilizaron HPC como sustrato y agregaron una pequeña cantidad de nanotubos de carbono, lo que hizo que la celulosa fuera eléctricamente conductora. Al mezclar nanofibras de celulosa (CNF), dieron a la tinta una forma imprimible.

La pantalla cambia de color según el voltaje eléctrico aplicado; además, también puede servir como sensor de presión o tensión y tiene el potencial de desempeñar un papel como una interfaz de usuario biodegradable en la eco-electrónica del futuro.