Obsesi global kami terhadap elektronik konsumen sesaat dengan cepat mengakibatkan masalah sampah global yang sangat besar. Sebanyak 50 juta metrik ton smartphone lama, PC, TV, dan perangkat lainnya dibuang tahun lalu demi hal baru berikutnya.
Tetapi para peneliti di University of Wisconsin-Madison telah mengembangkan cara yang mengejutkan untuk membuat membuang smartphone dan tablet masa depan lebih mudah pada lingkungan dan hati nurani. Mereka mengganti sebagian besar bahan beracun dan non-biodegradable dalam mikroprosesor modern dengan kayu.
Penelitian ini dilakukan bekerja sama dengan Departemen Hasil Hutan Departemen Pertanian AS dan dirinci dalam makalah yang diterbitkan baru-baru ini dalam Komunikasi Alam .
Secara khusus, metode para peneliti menggantikan bahan dasar atau substrat yang kaku dalam chip smartphone dan tablet, sering terdiri dari senyawa yang mengandung arsenik gallium arsenide, dengan selulosa nanofibril (CNF). CNF adalah bahan transparan dan fleksibel yang dibuat dengan memecah dinding sel kayu hingga skala nano dan membentuknya menjadi lembaran, seperti kertas.
Transistor kecil dan komponen lain pada chip tim masih terbuat dari logam dan bahan-bahan lain yang berpotensi beracun. Tetapi jumlah bahan-bahan yang digunakan sangat kecil sehingga ketua peneliti dan profesor teknik komputer dan listrik UW-Madison Zhenqiang "Jack" Ma mengatakan keripik itu dapat dikonsumsi oleh jamur dan menjadi "aman seperti pupuk."
Tentu saja, CNF berbasis kayu tidak memiliki karakteristik yang sama dengan minyak bumi atau bahan berbasis logam yang lebih sering digunakan sebagai substrat dalam chip ponsel. Seperti bahan berbasis kayu lainnya, CNF memiliki kecenderungan untuk menarik uap air dan meluas serta berkontraksi dengan perubahan suhu — keduanya merupakan masalah utama untuk microchip yang padat dan tahan kelembaban. Untuk membuat bahan lebih cocok untuk digunakan dalam elektronik, Zhiyong Cai di Departemen Pertanian AS dan Shaoqin "Sarah" Gong di UW-Madison bekerja bersama untuk membuat lapisan epoksi yang dapat terbiodegradasi, yang menjaga bahan dari menarik air dan berkembang. Itu juga membuat bahan lebih halus, properti penting untuk bahan yang digunakan untuk membangun chip kecil. Ma mengatakan jumlah epoksi yang digunakan tergantung pada berapa lama chip perlu bertahan. Menggunakan epoksi yang lebih sedikit juga berarti jamur dapat memecahkan chip lebih cepat, tetapi Ma mengatakan jamur pada akhirnya akan selalu berhasil menembus epoksi.
Seperti gallium arsenide, CNF juga perlu memiliki kehilangan energi frekuensi radio yang rendah, sehingga sinyal nirkabel yang dikirimkan dan diterima oleh chip tidak akan terdegradasi atau diblokir. "Kelompok kami melakukan pengujian kehilangan energi frekuensi radio, " kata Ma, "dan kami menemukan, oh keren, semuanya terlihat baik."
Setelah para peneliti yakin bahan itu adalah pengganti yang layak, langkah selanjutnya adalah mencari tahu cara menghapus sebanyak mungkin gallium arsenide dari sebuah chip dan menggantinya dengan CNF. Untuk itu, Ma meminjam teknik dari beberapa karyanya yang lain mendesain elektronik fleksibel.
"Ketika kami melakukan elektronik fleksibel, kami mengelupas lapisan silikon atau gallium arsenide yang sangat tipis, dan substrat [bahan di bawahnya] dapat dihemat, " kata Ma. "Jadi mengapa kita tidak melakukan hal yang sama saja dan melepaskan satu lapisan substrat asli dan meletakkannya di CNF, substrat berbasis kayu ini."
Gallium arsenide digunakan di ponsel sebagai substrat, daripada silikon yang umum di prosesor komputer, karena memiliki sifat yang jauh lebih baik untuk mentransmisikan sinyal dari jarak jauh — seperti menara ponsel. Tapi Ma mengatakan meskipun masalah lingkungan dan kelangkaan dengan gallium arsenide (itu adalah bahan langka), tidak ada yang membuat transistor tipe film tipis atau sirkuit keluar dari bahan, dan teknik yang ada menggunakan lebih banyak zat yang berpotensi beracun daripada perlu.
Hanya diperlukan 10 transistor untuk beberapa jenis chip, dan teknik yang mereka kembangkan memungkinkan lebih dari itu untuk dibuat di area 4-milimeter-oleh-5-milimeter. "Sebenarnya, kita bisa membangun ribuan transistor dari daerah itu, dan memindahkan transistor itu ke substrat kayu, " kata Ma. "Bahan CNF ini sangat bagus dan tidak ada yang pernah mencoba aplikasi frekuensi tinggi dengannya."
Tentu saja, ada bahan-bahan lain yang berpotensi beracun dalam elektronik portabel, termasuk baterai, dan cangkang kaca, logam, dan plastik dari perangkat-perangkat tersebut yang merupakan sebagian besar limbah elektronik. Tetapi kemajuan dalam plastik ramah lingkungan dan pekerjaan baru-baru ini menggunakan serat kayu untuk membuat baterai tiga dimensi menawarkan harapan bahwa suatu hari kita mungkin merasa lebih baik tentang mengganti perangkat penuaan kita.
Namun, tantangan sesungguhnya kemungkinan adalah mendapatkan pabrik fabrikasi chip besar-besaran, dan perusahaan yang mempekerjakan atau memilikinya, untuk beralih ke metode yang lebih baru dan lebih ramah lingkungan ketika teknik saat ini sangat murah. Namun ketika ditingkatkan, biaya untuk membuat CNF dari kayu yang terbarukan juga harus murah, membantu menarik pembuat perangkat untuk beralih dari substrat yang lebih tradisional. Lagi pula, kayu berlimpah, dan tidak perlu ditambang dari tanah seperti galium. Sejarah kertas berbasis kayu yang hampir dua milenium juga harus membantu menjaga biaya pembuatan CNF rendah. “Proses penguraian kayu dilakukan dengan sangat baik, ” kata Ma.
Sifat CNF yang lentur akan membuatnya cocok untuk bidang yang muncul dari perangkat elektronik fleksibel. Tetapi Ma memperingatkan bahwa munculnya perangkat yang fleksibel, dapat dipakai, dan berbiaya rendah juga kemungkinan besar akan meningkatkan jumlah e-waste di masa depan yang tidak terlalu jauh.
"Kami berada di cakrawala kedatangan elektronik fleksibel, " kata Ma. “Jumlah gadget elektronik yang fleksibel akan jauh lebih dari sekadar satu ponsel dan satu tablet atau laptop. Kami mungkin akan memiliki sepuluh PC. "
Ma berharap jumlah limbah elektronik potensial yang dihasilkan oleh semua perangkat ini dikombinasikan dengan jumlah bahan langka — galium arsenide dan lainnya — yang dapat dihemat dengan menggunakan bahan berbasis kayu dalam elektronik pada akhirnya akan masuk akal secara finansial dan lingkungan.
