Notre obsession mondiale pour les produits électroniques grand public éphémères est rapidement à l'origine d'un énorme problème mondial de déchets. L'année dernière, près de 50 millions de tonnes de nos anciens smartphones, ordinateurs, téléviseurs et autres appareils ont été jetées au profit d'une nouvelle nouveauté.
Mais des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont mis au point un moyen surprenant de rendre plus facile la mise au rebut des futurs smartphones et tablettes pour l’environnement et la conscience. Ils remplacent la majeure partie des matériaux toxiques et non biodégradables dans les microprocesseurs modernes par du bois.
La recherche a été réalisée en collaboration avec le Laboratoire des produits forestiers du Département de l'agriculture des États-Unis et est détaillée dans un document publié récemment. dans Nature Communications .
Plus précisément, la méthode des chercheurs remplace le support rigide ou le substrat dans les puces de smartphone et de tablette, souvent composées du composé contenant de l’arsenic, de l’arséniure de gallium, par des nanofibrilles de cellulose (CNF). Le CNF est un matériau souple et transparent fabriqué en décomposant les parois des cellules du bois à l'échelle nanométrique et en le formant en feuilles, un peu comme le papier.
Les minuscules transistors et autres composants présents sur les puces de l'équipe sont toujours constitués de métaux et d'autres matériaux potentiellement toxiques. Mais la quantité de ces matériaux utilisés est si petite que le chercheur principal et professeur d’ingénierie électrique et informatique de UW-Madison, Zhenqiang "Jack" Ma, explique que les copeaux peuvent être consommés par les champignons et devenir "aussi sûr que des engrais".
Bien entendu, le CNF à base de bois n’a pas les mêmes caractéristiques que les matériaux à base de pétrole ou de métaux, plus généralement utilisés comme substrats dans les puces mobiles. Comme tout matériau à base de bois, le FNC a tendance à attirer l’humidité et à se dilater et se contracter avec les changements de température, deux problèmes majeurs pour les puces compactes et sensibles à l’humidité. Pour rendre le matériau plus apte à être utilisé en électronique, Zhiyong Cai du ministère de l'Agriculture des États-Unis et Shaoqin "Sarah" Gong de UW-Madison ont uni leurs efforts pour créer un revêtement époxy biodégradable, qui empêche le matériau d'attirer l'eau et de prendre de l'expansion. Cela rend également le matériau plus lisse, une propriété importante pour un matériau utilisé pour construire de minuscules copeaux. Ma dit que la quantité d'époxy utilisée dépend de la durée nécessaire à la puce. Utiliser moins d'époxy signifie également que les champignons peuvent décomposer la puce plus rapidement, mais Ma dit que les champignons finiront toujours par se frayer un chemin à travers l'époxy.
À l'instar de l'arséniure de gallium, le CNF doit également présenter une faible perte d'énergie par radiofréquence afin que les signaux sans fil transmis et reçus par la puce ne soient ni dégradés ni bloqués. «Notre groupe a fait le test de perte d'énergie par radiofréquence», a déclaré Ma, «et nous avons trouvé, oh cool, que tout va bien.
Une fois que les chercheurs étaient certains que le matériau était un substitut viable, l'étape suivante consistait à déterminer comment retirer autant que possible de l'arséniure de gallium d'une puce et le remplacer par du CNF. Pour cela, Ma a emprunté une technique à certains de ses autres travaux de conception d'électronique flexible.
«Lorsque nous fabriquons des composants électroniques flexibles, nous retirons une très fine couche de silicium ou d'arséniure de gallium, ce qui permet d'économiser le substrat [le matériau situé en dessous]», explique Ma. «Alors, pourquoi ne pas simplement faire la même chose, décoller une couche du substrat d’origine et l’appliquer sur CNF, ce substrat à base de bois».
L'arséniure de gallium est utilisé dans les téléphones comme substrat, au lieu du silicium utilisé couramment dans les processeurs informatiques, car il possède de bien meilleures propriétés pour la transmission de signaux sur de longues distances, comme dans les tours de téléphonie mobile. Mais Ma dit que malgré les problèmes environnementaux et de rareté liés à l'arséniure de gallium (un matériau rare), personne n'avait créé de transistor ou de circuit de type film mince à partir du matériau, et les techniques existantes utilisaient davantage la substance potentiellement toxique que nécessaire.
Il ne faut que 10 transistors pour certains types de puces, et la technique mise au point permet d'en créer beaucoup plus que cela dans une zone de 4 millimètres sur 5 millimètres. «En réalité, nous pouvons construire des milliers de transistors à partir de cette zone et les déplacer vers le substrat en bois», explique Ma. "Ce matériau CNF est étonnamment bon et personne n'a jamais essayé les applications haute fréquence avec."
Bien sûr, il y a d'autres matériaux potentiellement toxiques dans les appareils électroniques portables, y compris les batteries, et les coques en verre, en métal et en plastique des appareils constituent l'essentiel des déchets électroniques. Mais les progrès réalisés dans les plastiques respectueux de l'environnement et les travaux récents utilisant des fibres de bois pour créer des batteries tridimensionnelles nous permettent d'espérer qu'un jour nous nous sentirons mieux de remplacer nos appareils vieillissants.
Le véritable défi, cependant, consistera probablement à obliger de grandes usines de fabrication de puces et les entreprises qui les emploient ou les possèdent à adopter de nouvelles méthodes plus respectueuses de l'environnement, alors que les techniques actuelles sont si peu coûteuses. Cependant, une fois à plus grande échelle, les coûts de création de CNF à partir de bois renouvelable devraient également être peu coûteux, ce qui inciterait les fabricants d'appareils à passer des substrats plus traditionnels. Après tout, le bois est abondant et n’a pas besoin d’être extrait du sol comme du gallium. L’histoire du papier à base de bois, qui remonte à près de deux millénaires, devrait également contribuer à maintenir le coût de fabrication de la CNF à un niveau bas. «Le processus de décomposition du bois est très bien établi», explique Ma.
La nature pliable de CNF en fera un bon choix pour le domaine émergent des dispositifs électroniques flexibles. Mais Ma avertit que l’émergence d’appareils flexibles, portables et à faible coût devrait également augmenter considérablement la quantité de déchets électroniques dans un avenir pas trop éloigné.
«Nous sommes à l’horizon de l’arrivée de l’électronique flexible», a déclaré Ma. «Le nombre de gadgets électroniques flexibles sera bien plus qu'un simple téléphone et une tablette ou un ordinateur portable. Nous allons probablement avoir dix PC. "
Ma espère que la quantité potentielle de déchets électroniques générée par tous ces dispositifs, combinée à la quantité de matériaux rares - arséniure de gallium et autres - pouvant être économisée en utilisant des matériaux à base de bois dans l'électronique, aura finalement un sens financier et environnemental.
