Действительно ли биоразлагаемая электроника безвредна для окружающей среды?

Исследование Северо-Восточного университета в Бостоне анализирует то, что на самом деле осталось от электронных устройств, предназначенных для растворения.

Биоразлагаемая электроника не обязательно означает отсутствие долгосрочного воздействия на окружающую среду. Это удивительный результат исследования «Полезность побочных продуктов разложения переходной электроники в конце срока службы»опубликованное в научном журнале npj Flexible Electronics некоторыми исследователями из Северо-Восточного университета в Бостоне.

В исследовании систематически анализируется, что с течением времени происходит с побочными продуктами, образующимися в результате деградации электронных устройств, предназначенных для растворения после использования. Результаты показывают, что даже когда устройства визуально исчезают, микропластики, стойкие полимеры и металлокомплексы могут оставаться в окружающей среде, оказывая потенциальное воздействие на окружающую среду и здоровье.

Биодеградация не гарантирует экологическую безопасность

По мнению исследователей Сандху и Дахии, одной только способности устройства распадаться недостаточно, чтобы назвать его устойчивым. В исследовании авторы объясняют, что во время деградации происходят сложные взаимодействия между органическими материалами, синтетическими полимерами и металлами.

Эти взаимодействия могут генерировать молекулы с не полностью известным химическим составом, иногда более стойкие, чем исходные материалы. Исследование вписывается в контекст глобального роста количества электронных отходов, который оценивается примерно в 60 миллионов тонн в год и прогнозируется на уровне 75 миллионов тонн к 2030 году, что делает актуальной более строгую оценку решений, предлагаемых в качестве устойчивых альтернатив.

Биоразлагаемая электроника: случай датчика давления анализировали в течение 18 месяцев

Первое устройство, изученное исследователями, представляет собой частично разлагаемый емкостный датчик давления, состоящий из фиброина шелка, полиэтиленоксида (ПЭО), меди и полиимидной подложки. Как сообщается в исследовании, за устройством наблюдали в течение 18 месяцев в контролируемых условиях. Результаты показывают, что природные материалы, такие как фиброин, разлагаются относительно быстро, образуя пептиды и простые органические соединения. Медь, с другой стороны, высвобождает ионы Cu²⁺, которые образуют стабильные комплексы. Через 18 месяцев примерно 90% устройства разрушается, но некоторые побочные продукты остаются в растворе. Авторы отмечают, что высокие концентрации меди в почве могут быть вредными для растений и организмов, поэтому необходимы целевые токсикологические оценки.

Фотодиоды и стойкие полимеры

Второй проанализированный случай касается полностью разлагаемого фотодиода на основе подложки из ацетата целлюлозы и электродов PEDOT:PSS. За устройством наблюдали более 7 месяцев в водных растворах с разными уровнями pH. Хотя ацетат целлюлозы растворяется в течение нескольких недель, Сандху и Дахия отмечают, что PEDOT:PSS ведет себя совсем по-другому.

Согласно представленным данным, полная деградация может занять более 8 лет с образованием производных полистирола и микропластика, определяемого авторами как «практически неразлагаемый». Даже при отсутствии видимых остатков инструментальные анализы выявляют наличие стойких фрагментов полимера.

Сравнение натуральных и синтетических материалов

Исследование четко различает природные материалы и синтетические полимеры. Шелковая целлюлоза и фиброин, по мнению исследователей, демонстрируют более высокую скорость разложения и выделяют побочные продукты, которые считаются безвредными.

Напротив, такие материалы, как PEDOT:PSS, гарантируя высокие электронные характеристики, создают серьезные экологические проблемы. В исследовании также подчеркивается, что многие оценки биосовместимости, доступные в литературе, охватывают периоды в несколько дней или недель, в то время как фактические процессы деградации происходят в масштабах времени в несколько лет.

Проблема, которая начинается еще до конца жизни

Помимо фазы деградации, исследование Северо-Восточного университета обращает внимание на воздействие производственных процессов на окружающую среду. Производство электроники остается в основном линейным и ресурсоемким.

Как отмечают авторы, для создания кремниевой пластины может потребоваться до 6000 литров воды, которой становятся загрязненные сточные воды. В контексте растущего глобального дефицита воды эта модель производства кажется несовместимой с реальной устойчивостью биоразлагаемой электроники.

Как правильно дать новое определение биоразлагаемой электронике

Сандху и Дахия предлагают более строгое различие между биоразлагаемыми, переходными, компостируемыми и устойчивыми устройствами. Устойчивость, объясняют они в исследовании, опубликованном на npj Гибкая электроникадолжен включать весь жизненный цикл: выбор материалов, производство, деградацию и характер побочных продуктов.

Анализ устройства в целом, а не только отдельных компонентов, необходим для предотвращения того, чтобы сокращение видимых электронных отходов привело к распространению невидимых, но стойких загрязнителей.