THỤY SĨ – Các bảng mạch in hiện đại được làm từ vật liệu gốc dầu mỏ và rất khó tái chế. Các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Khoa học và Công nghệ vật liệu Empa (Swiss federal laboratories for materials science and technology) đã phát triển một loại vật liệu có thể phân hủy sinh học, đây là một bước tiến quan trọng hướng tới ngành điện tử bền vững. Vật liệu sinh học của họ được làm hoàn toàn từ gỗ và có thể được chế tạo thành bảng mạch chức năng cho các thiết bị điện tử.

Vỏ của chuột máy tính và bảng mạch của nó được làm từ vật liệu phân hủy sinh học 

Bảng mạch in (PCB – printed circuit board) là ‘trái tim’ của tất cả các thiết bị điện tử, từ máy tính xách tay đến bàn chải đánh răng điện. Những bảng mạch loại này bao gồm các mạch dẫn bằng đồng và các linh kiện điện tử được hàn, thường có màu xanh lá cây đặc trưng. Tuy nhiên, chúng chưa thân thiện với môi trường.

Lớp đế của bảng mạch được sử dụng để gắn các mạch dẫn bằng đồng và linh kiện, nó là một tấm laminate (*) được làm từ nhựa epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh, được gọi là composite. Vật liệu composite này có nguồn gốc từ dầu mỏ và không thể tái chế. Việc xử lý đúng cách sẽ cần nhiều chi phí, ví dụ như phải đốt trong lò nhiệt phân đặc biệt có hệ thống lọc khí thải, đây là một khó khăn lớn, cùng với số lượng lớn các bảng bo mạch phế thải được tích lũy để xử lý mỗi năm.
(*) Laminate: là vật liệu nhựa tổng hợp cao cấp, có tên khoa học là high-pressure laminate (HPL), được tạo ra từ việc ép nhiều lớp giấy kraft, giấy trang trí và lớp phủ bảo vệ ở nhiệt độ và áp suất cao.

Nhóm các nhà nghiên cứu do ông Thomas Geiger dẫn đầu từ phòng thí nghiệm vật liệu cellulose và gỗ (Cellulose and wood materials laboratory) của viện Empa, đang nghiên cứu một giải pháp “xanh” mang tính bền vững, tìm ra một loại vật liệu mới có màu nâu. Là một phần của dự án nghiên cứu HyPElignum của liên minh châu âu (EU), họ đã chế tạo một loại vật liệu từ gỗ để làm lớp đế cho bảng mạch in PCB, có thể cạnh tranh với loại đế bằng nhựa epoxy thông thường. Và vật liệu mới từ gỗ này có thể phân hủy sinh học. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp bảng mạch được làm từ vật liệu này vào thiết bị chuột máy tính.

Bo mạch ‘xanh’ bằng vật liệu từ gỗ, có màu nâu: bên trái là bo mạch của chuột máy tính được làm từ chất liệu lignocellulose, bên phải là bo mạch chuột máy tính thông thường được làm từ nguyên liệu thô không tái tạo (non-renewable raw materials) (*)

(*) Nguyên liệu thô không tái tạo: như dầu mỏ, than đá và quặng kim loại. Là những tài nguyên thiên nhiên có giới hạn về trữ lượng và không thể phục hồi hoặc tái tạo kịp thời gian để đáp ứng tốc độ tiêu thụ của con người.

Bộ đôi hoàn hảo gồm sợi cellulose và lignin
Nguồn vật liệu nền trong nghiên cứu này (carrier material) là hỗn hợp tự nhiên của cellulose với một lượng nhỏ lignin. Nói một cách chính xác, đây là một sản phẩm thải (phế phẩm). Ông Thomas Geiger chia sẻ: “Các đối tác của chúng tôi tại Viện Nghiên cứu khoa học ứng dụng Hà Lan (TNO – Netherlands organisation for applied scientific research), đã phát triển một quy trình chiết xuất nguyên liệu thô lignin và hemicellulose từ gỗ. Phần còn lại sau quá trình chiết xuất là lignocellulose có màu nâu, loại nguyên liệu mà cho đến nay vẫn chưa có ứng dụng thực tế nào”. Ông Geiger là người có nhiều năm kinh nghiệm nghiên cứu về lĩnh vực điện tử làm từ chất liệu cellulose, đã nhận ra tiềm năng của nguyên liệu thô này.

Nguyên liệu lignocellulose ban đầu có dạng vảy (mỏng và mảnh), để chúng trở thành một sản phẩm công nghệ cao như bảng mạch in PCB, trước tiên nó được nghiền bằng cách thêm nước để phân hủy các sợi cellulose dày thành các sợi fibril (*) nhỏ hơn. Quá trình này tạo ra một mạng lưới các sợi mảnh có liên kết chặt chẽ với nhau. Bước tiếp theo, nước được ép ra khỏi hỗn hợp dưới áp suất cao. Các sợi fibril di chuyển lại gần nhau hơn, khô lại và tạo thành khối rắn (được gọi là tấm sừng hóa). Các nhà nghiên cứu gọi quá trình này là quá trình sừng hóa (hornification). Ông Geiger nói tiếp: “Chất lignin bên trong vật liệu đóng vai trò như một chất kết dính bổ sung”.
(*) Fibril là một sợi siêu nhỏ, mảnh, thường được hình thành từ việc tách nhỏ các sợi lớn hơn (ví dụ như cellulose).

Các tấm sừng hóa được cắt thành các bảng mạch phân hủy sinh học, có độ bền như bảng mạch in thông thường bằng nhựa epoxy gia cố sợi. Tuy nhiên, bảng mạch phân hủy sinh học vẫn nhạy cảm với nước và độ ẩm cao. Ông Geiger giải thích: “Nếu nước không thể thấm qua vật liệu nền, thì các vi sinh vật như nấm sẽ không thể phát triển trong đó, do đó nó sẽ không thể phân hủy sinh học được”.

Từ nguyên liệu thô đến thành phẩm: nguyên liệu lignocellulose (trái) được nghiền với nước và ép thành các tấm sừng hóa. Các tấm này được cắt hình dạng theo yêu cầu, lắp các mạch dẫn điện và linh kiện điện tử

Một thiết bị chuột máy tính có thể phân hủy sinh học
Các nhà nghiên cứu cho rằng khả năng chống chịu của vật liệu sinh học gốc lignocellulose có thể được cải thiện hơn bằng các phương pháp xử lý phù hợp. Ông Geiger chia sẻ: “Đối với một số ứng dụng nhất định, chúng ta cần xem xét lại mối quan hệ giữa nguyên liệu lignocellulose với thiết bị điện tử. Nhiều thiết bị điện tử chỉ được sử dụng trong vài năm trước khi chúng trở nên lỗi thời. Vì vậy, việc sản xuất chúng từ những vật liệu có thể tồn tại hàng trăm năm là bất hợp lý”.

Các nhà nghiên cứu đã in các mạch dẫn điện lên bảng mạch in bền vững của họ và lắp chúng với các linh kiện để sản xuất các thiết bị điện tử, như chuột máy tính hoặc thẻ RFID (radio frequency identification) (*). Khi hết thời hạn sử dụng, một thiết bị như vậy có thể được xử lý bằng phương pháp ủ phân, nếu đáp ứng các điều kiện thích hợp. Sau khi vật liệu nền đã phân hủy, các linh kiện kim loại và điện tử có thể được tách khỏi phân ủ và tái chế.
(*) Thẻ RFID: là một loại thẻ có gắn chip và ăng-ten, sử dụng công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến để nhận dạng vật thể bằng sóng vô tuyến mà không cần tiếp xúc vật lý.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu muốn làm cho vật liệu sinh học này bền hơn mà không ảnh hưởng đến khả năng phân hủy sinh học. Các đối tác của dự án có kế hoạch sản xuất thêm các thiết bị minh họa được làm bằng tấm sừng hóa lignocellulose, vào cuối dự án HyPElignum năm 2026. Việc chuyển giao cho ngành công nghiệp để đưa công nghệ này vào thực tế sản xuất là bắt buộc, ông Geiger đã nói rằng: “Hợp tác cùng các công ty Thụy Sĩ và châu Âu, chúng tôi muốn phát triển thêm các ứng dụng khác cho vật liệu lignocellulose này”.

Để xem các tin bài khác về “Bảng mạch in”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online