O lixo eletrônico é um problema que cresce rapidamente, mas esse material degradável pode permitir a reciclagem de peças de muitos dispositivos descartáveis e vestíveis.
O lixo eletrônico, ou e-waste, é um problema global em rápido crescimento e deve piorar com a produção de novos tipos de eletrônicos flexíveis para robótica, dispositivos vestíveis, monitores de saúde e outras novas aplicações, incluindo dispositivos de uso único.
Um novo tipo de material de substrato flexível desenvolvido no MIT, na Universidade de Utah e na Meta tem o potencial de permitir não apenas a reciclagem de materiais e componentes no final da vida útil de um dispositivo, mas também a fabricação escalável de circuitos multicamadas mais complexos do que os fornecidos pelos substratos existentes.
O desenvolvimento deste novo material é descrito esta semana na revista RSC: Applied Polymers , em um artigo do professor do MIT Thomas J. Wallin, do professor da Universidade de Utah Chen Wang e de outros sete.
“Reconhecemos que o lixo eletrônico é uma crise global contínua que só vai piorar à medida que continuamos a construir mais dispositivos para a internet das coisas e à medida que o resto do mundo se desenvolve”, diz Wallin, professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. Até o momento, muitas pesquisas acadêmicas nessa frente têm como objetivo desenvolver alternativas aos substratos convencionais para eletrônicos flexíveis, que usam principalmente um polímero chamado Kapton, um nome comercial para poliimida.
A maioria dessas pesquisas se concentrou em materiais poliméricos totalmente diferentes, mas “isso realmente ignora o lado comercial disso, quanto ao motivo pelo qual as pessoas escolheram os materiais que escolheram para começar”, diz Wallin. Kapton tem muitas vantagens, incluindo excelentes propriedades térmicas e isolantes e pronta disponibilidade de materiais de origem.
O negócio de poliimida está projetado para ser um mercado global de US$ 4 bilhões até 2030. “Está em todo lugar, em todos os dispositivos eletrônicos basicamente”, incluindo peças como os cabos flexíveis que interconectam diferentes componentes dentro do seu celular ou laptop, explica Wang. Também é amplamente usado em aplicações aeroespaciais devido à sua alta tolerância ao calor. “É um material clássico, mas não foi atualizado por três ou quatro décadas”, diz ele.
No entanto, também é virtualmente impossível derreter ou dissolver Kapton, então ele não pode ser reprocessado. As mesmas propriedades também dificultam a fabricação dos circuitos em arquiteturas avançadas, como eletrônicos multicamadas. A maneira tradicional de fazer Kapton envolve aquecer o material a qualquer lugar entre 200 e 300 graus Celsius. “É um processo bastante lento. Leva horas”, diz Wang.
O material alternativo que a equipe desenvolveu, que é em si uma forma de poliimida e, portanto, deve ser facilmente compatível com a infraestrutura de fabricação existente, é um polímero fotopolimerizável semelhante aos usados atualmente por dentistas para criar obturações resistentes e duráveis que curam em poucos segundos com luz ultravioleta. Esse método de endurecimento do material não é apenas rápido, como também pode operar em temperatura ambiente.
O novo material pode servir como substrato para circuitos multicamadas, o que fornece uma maneira de aumentar muito o número de componentes que podem ser embalados em um pequeno fator de forma. Anteriormente, como o substrato Kapton não derrete facilmente, as camadas tinham que ser coladas, o que adiciona etapas e custos ao processo. O fato de que o novo material pode ser processado em baixa temperatura, ao mesmo tempo em que endurece muito rapidamente, pode abrir possibilidades para novos dispositivos multicamadas, diz Wang.
Quanto à reciclabilidade, a equipe introduziu subunidades na estrutura do polímero que podem ser rapidamente dissolvidas por uma solução de álcool e catalisador. Então, metais preciosos usados nos circuitos, assim como microchips inteiros, podem ser recuperados da solução e reutilizados para novos dispositivos.
“Nós projetamos o polímero com grupos éster na estrutura principal”, diferentemente do Kapton tradicional, explica Wang. Esses grupos éster podem ser facilmente quebrados por uma solução bastante suave que remove o substrato, deixando o resto do dispositivo ileso. Wang observa que a equipe da Universidade de Utah foi cofundadora de uma empresa para comercializar a tecnologia.
“Nós quebramos o polímero de volta em suas pequenas moléculas originais. Então podemos coletar os componentes eletrônicos caros e reutilizá-los”, acrescenta Wallin. “Todos nós sabemos sobre a escassez da cadeia de suprimentos com chips e alguns materiais. Os minerais de terras raras que estão nesses componentes são altamente valiosos. E então achamos que há um enorme incentivo econômico agora, assim como ambiental, para fazer esses processos para a recaptura desses componentes.”
A equipe de pesquisa incluiu Caleb Reese e Grant Musgrave da Universidade de Utah, e Jenn Wong, Wenyang Pan, John Uehlin, Mason Zadan e Omar Awartani do Meta’s Reality Labs em Redmond, Washington. O trabalho foi apoiado por um fundo de startups do Price College of Engineering da Universidade de Utah.