Из цинка и серебра сделали растворимую плату для умных часов

Китайские ученые разработали проводящие цинково-серебряные чернила для перерабатываемых печатных плат. Добавка серебряных нановискеров позволила увеличить проводимость в четыре раза и напечатать рабочую плату для аналога умных часов. Часы могут показывать время, измерять пульс и количество пройденных шагов и даже связываться со смартфоном, а при погружении в воду их корпус и плата полностью растворяются за сорок часов. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Materials and Interfaces.

Каждый год люди выбрасывают более 50 миллионов тонн электроприборов. С распространением умных часов, сенсоров и прочих миниатюрных гаджетов проблема электронного мусора будет только усугубляться. Перерабатывать такие устройства стандартными способами может быть попросту невыгодно, ведь разделение миниатюрных микросхем на составные части отнимает много времени, а масса извлекаемых металлов получается совсем небольшой.

В 2019 году китайские ученые под руководством Сяня Хуана (Xian Huang) из Тяньцзиньского Университета придумали для проблемы оригинальное решение — сделать части микросхем растворимыми. В этом случае устройство, попав в воду, само распадется на части, и дальнейшая переработка пройдет значительно проще. Хуан и его коллеги разработали проводящий композит на основе цинковых наночастиц и ангидрида, который растворялся в воде за 30 минут. Ангидрид ученые добавили для того, чтобы управлять процессом печати и растворения: при взаимодействии с водой каждая молекула ангидрида распадается на две молекулы кислоты, которые растворяют оксидную оболочку на цинке и способствуют соединению отдельных наночастиц в проводящую монолитную структуру (материаловеды называют это процесс спеканием, так как изначально его умели проводить только при высоких температурах). А после завершения использования та же самая кислота помогает цинковым контактам растворяться.

Проводимость цинковых контактов в первой работе Хуана и его коллег была недостаточна, поэтому в своем новом исследовании ученые попробовали улучшить ее, добавив к цинковым чернилам серебряные нановискеры (нитевидные наночастицы). Авторы смешивали цинковые наночастицы и серебряные нановискеры с пропионовым ангдидридом и пропиленгликолем (для улучшения вязкости) и наносили состав на полимерные подложки методом трафаретной печати. После этого оставалось добавить несколько капель воды, чтобы активировать ангидрид и запустить процесс спекания. Сначала пропионовый ангидрид взаимодействует с водой, образуя пропионовую кислоту. Затем кислота растворяет оксидную пленку на поверхности цинковых и серебряных наночастиц, обнажая слой чистого металла. Ионы Zn2+ и Ag+ переходят в раствор, и вступают в гальваническую реакцию, в результате цинк снова осаждается на серебряных и цинковых наночастицах, как бы склеивая их между собой. Наконец, вода испаряется и остатки растворенных солей цинка и серебра осаждаются сверху на металлический композит, формируя защитный слой.

              Схема реакции спекания под действием воды

После обработки водой части плат становились более монолитными — у них уменьшалась толщина и шероховатость и возрастала проводимость.

В поисках идеального композита авторы изменяли условия печати и содержание сесребряных нановискеров. Лучший образец показал проводимость 307,6 килосименс на метр — в четыре раза больше, чем предыдущие результаты для проводящих чернил на основе наночастиц. Также авторы изготовили несколько образцов с медными нановискерами, их проводимость была немного хуже (250,5 килосименс на метр) из-за более низкой собственной проводимости меди и меньшей длины нановискеров. Механическая прочность тоже оказалась на высоте — после восьми тысяч сгибаний-разгибаний платы сохраняли более 91 процента исходной проводимости. А вот стабильность в условиях влажности ученым еще предстоит улучшить — пока что при хранении без защитной оболочки цинково-серебряный композит теряет около десяти процентов своей проводимости каждые две недели.

Все платы растворялись в обыкновенной воде комнатной температуры за 30-40 минут. В этом процессе ангидрид тоже играет важную роль: сначала он превращается в кислоту, затем кислота взаимодействует с металлами, переводя их в раствор. Полного растворения серебряных нановискеров не происходит, но после растворения всего цинка нановискеры отделяются от подложки и погружаются в раствор.

Чтобы продемострировать возможности нового материала, ученые напечатали плату для умных часов. Все составные части умных часов — акселерометр, оксиметр, OLED-дисплей и микроконтролер — вмонтировали в цинково-серебряную плату, а корпус часов изготовили из растворимого поливинилового спирта. Такие часы могут показывать время, измерять скорость сердцебиения и количество пройденных шагов и даже связываться со смартфоном для отображения сообщений. Часы выдержали месяц работы на запястье человека, который активно занимался спортом. После этого авторы поместили часы в обыкновенную воду комнатной температуры, и за двое суток корпус и все проводящие контакты полностью растворились. Сенсоры, дисплей и другие части устройства можно было извлечь из воды и использовать повторно или переработать. Полученный раствор, который содержит растворенный цинк и остатки серебряных нановискеров, ученые дополнительно проверили на цитотоксичность и убедились, что уровень выживаемости клеток соответствует требованиям Международной Ассоциации по Стандартизации для медицинских устройств.

Хуан и его коллеги называют свое устройство «первыми растворимыми умными часами», но, строго говоря, это не совсем так: растворились только корпус и цинково-серебряные контакты, а OLED-дисплей, микроконтроллер, сенсоры, конденсаторы и резисторы — нет. Однако, вполне вероятно, что создание полностью растворимых умных часов тоже не за горами. В мае вышла статья американских ученых о полностью перерабатываемом транзисторе. Его основа сделана из бумаги, а все части микросхем — из углеродных материалов: наноцеллюлозы, углеродных нанотрубок и графена. Устройство может работать шесть месяцев при нормальной влажности и температуре, после чего углеродные нанотрубки и графен можно растворить и использовать снова. А в марте мы писали о светоизлучающем диоде, который можно нанести на кожу с помощью метода переводных татуировок, а после использования смыть обыкновенной водой с мылом.