ساخت یک برچسب الکترونیکی قابل بازیافت

دانشمندان با طراحی دستگاه‌های پوشیدنی که کاملا از مواد پایدار ساخته شده‌اند، با مشکل روبه‌رشد زباله‌های الکترونیکی مقابله می‌کنند.

به گزارش بیکینگ از ایسنا، زباله‌های الکترونیکی یک تهدید دائمی برای سلامتی و محیط زیست‌ هستند و نگرانی‌های عمومی پیرامون توده‌های پلاستیک‌ به وزن میلیاردها پوند است که سالانه به اقیانوس‌ها ریخته می‌شوند. فلزات سنگین و سایر مواد سمی ناشی از زباله‌های الکترونیکی نیز از محل‌های دفن زباله به محیط زیست می‌رسند و این مشکل را تشدید می‌کنند.

پژوهشگران «دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی»(NC State) می‌گویند، دستگاه‌هایی که به طور همزمان قابلیت بازیافت و تجزیه زیستی داشته باشند، نادر هستند. اگرچه تجهیزات الکترونیکی که برای متلاشی و حل شدن در پایان عمر طراحی شده‌اند، تا حدودی این مشکل را حل می‌کنند اما اجزای عملکردی آنها مانند بردهای مدار معمولا نه زیست‌تخریب‌پذیر هستند و نه قابل بازیافت.

برچسب پوشیدنی پایدار
گروه پژوهشی دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی با طراحی یک برچسب الکترونیکی پوشیدنی که می‌تواند به طور هم‌زمان کمپوست و بازیافت شود، سعی دارند با این مشکل مقابله کنند. بخش نرم دستگاه که زیرلایه نام دارد، از یک ماده زیست‌تخریب‌پذیر ساخته شده؛ در حالی که مدار الکتریکی از نانوسیم‌های نقره قابل بازیافت تشکیل شده است. این راهبرد می‌تواند جلوی از دست دادن فلزات کمیاب و ارزشمند را بگیرد که معمولا در دستگاه‌های الکترونیکی یافت می‌شوند.

«یونگ ژو»(Yong Zhu) استاد دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و یکی از سازندگان این فناوری گفت: برچسب الکترونیکی را پس از توسعه بیشتر می‌توان برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند نظارت بر سلامتی انسان، منسوجات الکترونیکی، نظارت بر عملکرد ورزشی، ربات‌های نرم، پروتز و رابط‌های انسان و ماشین استفاده کرد.

«اورلین ولو»(Orlin Velev) استاد دپارتمان مهندسی شیمی و بیومولکولی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی گفت: ما کار خود را با ساخت بسترهایی به شکل لایه‌های ژل حاوی پلیمر زیستی «آگارز»(Agarose) اصلاح‌شده با گلیسیرین و سپس، چاپ کردن الگوهای نانوسیم نقره رسانا روی لایه ژل آگارز/گلیسیرین با استفاده از چاپ روی صفحه آغاز کردیم.

ولو، ژو و گروه آنها این برچسب الکترونیکی پایدار را به عنوان یک حسگر الکتروفیزیولوژیک آزمایش کردند. هنگامی که الکترودهای نانوسیم نقره روی مچ دست یا ساعد قرار گرفتند، سیگنال‌های الکتروکاردیوگرام و الکترومیوگرافی را به خوبی الکترود ژل تجاری تشخیص ‌دادند. حتی زمانی که پوست کشیده، فشرده و پیچ خورده بود، آنها کار خود را درست انجام دادند. پژوهشگران، دلیل عملکرد دستگاه را سازگاری و کشش عالی آن می‌دانند.

گلیسیرین به عنوان یک نرم‌کننده عمل می‌کند، انعطاف‌پذیری آگارز را افزایش می‌دهد و در عین حال، تجزیه‌پذیری آن را حفظ می‌کند. پژوهشگران گزارش دادند که گلیسیرین، قابلیت کشش لایه را از ۲۴.۸ درصد به ۶۸.۱ درصد افزایش می‌دهد. این درجه از انعطاف‌پذیری برای ساخت دستگاهی که روی پوست پوشیده می‌شود، ضروری است.

در سطح مولکولی، شبکه پیوندهای هیدروژنی که بین آگارز و گلیسیرین تشکیل می شود، مسئول افزایش دادن کشش دستگاه است. این فعل و انفعالات بین هیدروژن و اکسیژن، از انتشار ترک‌ها در طول کشش جلوگیری می‌کند.

دفع دستگاه و معایب آن
پژوهشگران ادعا می‌کنند که مصرف‌کننده می‌تواند با خیال راحت این برچسب الکترونیکی را دور بریزد. لایه‌های ژل آگارز/ گلیسیرین پس از کمپوست‌سازی تجزیه می‌شوند و نانوسیم‌های نقره، تهدید بزرگی برای محیط زیست محسوب نمی‌شوند. با وجود این، اگرچه دستگاه را می‌توان به سادگی دور انداخت اما نانوسیم‌ها در حالت ایده‌آل بازیابی می‌شوند و مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرند.

ژو گفت: پس از معرفی کردن گزینه‌هایی برای جمع‌آوری و بازیافت دستگاه‌ها، می‌توان آنها را در یک مخلوط میکروبی حاوی یک فعال‌کننده کمپوست تجاری غوطه‌ور کرد. دستگاه پس از ۶۵ روز با این روش به طور کامل تجزیه می‌شود. نانوسیم‌های نقره را می‌توان پس از تجزیه زیستی زیرلایه‌های آگارز/گلیسیرین جمع‌آوری کرد و دوباره مورد استفاده قرار داد.

نمونه کنونی این فناوری، معایبی نیز دارد که از جمله آنها می‌توان به شسته شدن گلیسیرین از لایه، در صورت تماس بلندمدت با آب اشاره کرد. پژوهشگران خاطرنشان کردند که یک نرم‌کننده با وزن مولکولی بالاتر احتمالا می‌تواند این مشکل شست‌وشو را حل کند. ولو توضیح داد: اساسا هرچه وزن مولکولی بیشتر باشد، تمایل کمتری برای انتشار از طریق ماتریس آگارز و شست‌وشو وجود دارد.

محدودیت دیگر مربوط به میزان فشاری است که مدارها می‌توانند تحمل کنند. ولو در مورد این موضوع توضیح داد: اگرچه لایه‌های پلاستیکی بسیار نرم و قابل انبساط هستند اما مدارهای چاپی بالای آنها، محدودیت خاصی را برای انبساط یافتن دارند. خوشبختانه، مدارهای نانوسیم چاپی می‌توانند انبساط بیشتری را نسبت به نسخه‌های دیگری که روی پوست بیشتر قسمت‌های بدن قرار می‌گیرند، تحمل کنند.

برای کمک کردن به محافظت از الگوی رسانا روی لایه، یک مانع بیرونی را نیز می‌توان اضافه کرد. ژو گفت: پایداری الکترومکانیکی الکترودهای نانوسیم نقره چاپی را نیز می‌توان با افزودن یک لایه از ژل بیوپلیمر به دستگاه بهبود بخشید.

پژوهشگران در مقاله این پروژه توضیح دادند که آنها این ویژگی را به منظور نظارت فیزیولوژیکی که در آن الکترودها باید در تماس مستقیم با پوست باشند، حذف کردند اما در آینده، این اصلاح می‌تواند برچسب را برای سایر برنامه‌ها کاربردی‌تر کند.

ولو گفت: ما در این مرحله به دنبال پوشیدنی‌های کاربردی بتنی نیستیم، بلکه هدف ما اثبات این اصل است که چنین دستگاه‌های نرمی را می‌توان از مواد کاملا پایدار ساخت.