Железо, крахмал и пчелиный воск вместо никеля и кобальта. В Европе придумали по-настоящему чистую одноразовую электронику
NewsMakerНаконец-то у нас будет электроника, которая не оставляет после себя вредный мусор.
Датчики магнитного поля почти никто не замечает, хотя электроника использует их повсюду. Они измеряют движение, положение и расстояние, работают в оконных контактах, рулевых колёсах, жёстких дисках, упаковке и смартфонах. Каждый год промышленность выпускает миллиарды таких компонентов, а после поломки или замены многие из них попадают в поток электронных отходов.
Проблема не только в количестве. В составе многих сенсоров есть никель или кобальт, а при неправильной утилизации такие материалы могут вредить окружающей среде и здоровью. Производство тоже обходится дорого для экологии: нужны сложные технологические операции и заметные затраты энергии.
Команда HZDR предложила более безопасный для окружающей среды вариант магнитных датчиков. Исследователи использовали железо, оксид железа, целлюлозу, крахмал и защитные покрытия из биосовместимых материалов. Главная трудность была не в подборе знакомого сырья, а в том, чтобы собрать из него сенсор с характеристиками, близкими к современной электронике.
Железо доступно, хорошо изучено и совместимо с живыми системами, но само по себе не даёт чувствительность, нужную многим современным магнитным датчикам. Поэтому команда объединила его с оксидом железа и получила частицы с ядром и оболочкой: внутри находится металлическая сердцевина, снаружи - тонкий окисленный слой. На итоговые свойства влияют точный состав частиц и способ обработки материала.
Линь Го, который развивает проект в рамках диссертации, подчёркивает именно эту часть работы: железо и целлюлоза известны человечеству столетиями, но сами по себе не превращаются в полезный сенсор. Нужно подобрать структуру, соотношение компонентов и режим обработки так, чтобы напечатанный слой достаточно точно реагировал на магнитное поле. По данным команды, в отдельных областях такие устройства достигают чувствительности, сопоставимой с коммерческими решениями.
Сенсоры делают с помощью трафаретной печати. Этот метод хорошо знаком текстильной промышленности, но здесь вместо рисунка на ткани наносят рабочий слой датчика. Материал не приходится снимать с большой площади или травить лишние участки. Покрытие печатают только там, где оно нужно, поэтому расход сырья и энергии снижается.
Команда уже показала, что метод подходит для масштабирования: массив датчиков напечатали на листе формата A4 с помощью промышленного оборудования для трафаретной печати. Для электроники это важный шаг. Лабораторный образец может работать в единственном экземпляре, но промышленности нужна технология, которую можно повторять сериями и встраивать в существующие производственные процессы.
Разработчики также учли, что происходит с датчиком после окончания срока службы. Обычная электроника работает до поломки, а затем требует утилизации. В новой работе задача была иной: подобрать материалы, которые после использования можно безопаснее разложить или переработать. Частицы железа и его оксида поместили в матрицу из целлюлозы, крахмала и других совместимых с живыми системами веществ.
Снаружи датчики закрывает слой биосовместимых полимеров или природных материалов, например пчелиного воска. Покрытие защищает сенсор от влаги и одновременно задаёт срок работы. Меняя оболочку, разработчики могут регулировать, как долго напечатанный элемент сохранит стабильность. Для одних задач нужен короткий период службы, для других - более долговечная защита.
Когда биологическая матрица растворяется в воде, от датчика остаются главным образом окисленные частицы железа. По сути, это ржавчина. Команда специально исключила из процесса потенциально токсичные соединения никеля и кобальта, которые встречаются в части традиционных магнитных сенсоров.
Технологию производства печатных датчиков магнитного поля уже лицензировали. Теперь исследователи подбирают конкретные применения. Наиболее очевидные направления связаны с электроникой, которая нужна только на ограниченный срок: интеллектуальная упаковка, одноразовые медицинские изделия и сельскохозяйственные сенсорные системы. В таких областях компонент должен собрать нужные данные, отработать заданный период и не превратиться после выброса в лишний источник загрязнения.
Параллельно команда готовит новые варианты конструкции. В следующих проектах исследователи хотят проверить более стойкие защитные покрытия, другие биосовместимые материалы и способы встраивать сенсоры в гибкую электронику. Работа показывает практическое направление для массовых компонентов: датчики можно проектировать не только с расчётом на цену и толщину, но и с понятным сценарием завершения срока службы.
Датчики магнитного поля почти никто не замечает, хотя электроника использует их повсюду. Они измеряют движение, положение и расстояние, работают в оконных контактах, рулевых колёсах, жёстких дисках, упаковке и смартфонах. Каждый год промышленность выпускает миллиарды таких компонентов, а после поломки или замены многие из них попадают в поток электронных отходов.
Проблема не только в количестве. В составе многих сенсоров есть никель или кобальт, а при неправильной утилизации такие материалы могут вредить окружающей среде и здоровью. Производство тоже обходится дорого для экологии: нужны сложные технологические операции и заметные затраты энергии.
Команда HZDR предложила более безопасный для окружающей среды вариант магнитных датчиков. Исследователи использовали железо, оксид железа, целлюлозу, крахмал и защитные покрытия из биосовместимых материалов. Главная трудность была не в подборе знакомого сырья, а в том, чтобы собрать из него сенсор с характеристиками, близкими к современной электронике.
Железо доступно, хорошо изучено и совместимо с живыми системами, но само по себе не даёт чувствительность, нужную многим современным магнитным датчикам. Поэтому команда объединила его с оксидом железа и получила частицы с ядром и оболочкой: внутри находится металлическая сердцевина, снаружи - тонкий окисленный слой. На итоговые свойства влияют точный состав частиц и способ обработки материала.
Линь Го, который развивает проект в рамках диссертации, подчёркивает именно эту часть работы: железо и целлюлоза известны человечеству столетиями, но сами по себе не превращаются в полезный сенсор. Нужно подобрать структуру, соотношение компонентов и режим обработки так, чтобы напечатанный слой достаточно точно реагировал на магнитное поле. По данным команды, в отдельных областях такие устройства достигают чувствительности, сопоставимой с коммерческими решениями.
Сенсоры делают с помощью трафаретной печати. Этот метод хорошо знаком текстильной промышленности, но здесь вместо рисунка на ткани наносят рабочий слой датчика. Материал не приходится снимать с большой площади или травить лишние участки. Покрытие печатают только там, где оно нужно, поэтому расход сырья и энергии снижается.
Команда уже показала, что метод подходит для масштабирования: массив датчиков напечатали на листе формата A4 с помощью промышленного оборудования для трафаретной печати. Для электроники это важный шаг. Лабораторный образец может работать в единственном экземпляре, но промышленности нужна технология, которую можно повторять сериями и встраивать в существующие производственные процессы.
Разработчики также учли, что происходит с датчиком после окончания срока службы. Обычная электроника работает до поломки, а затем требует утилизации. В новой работе задача была иной: подобрать материалы, которые после использования можно безопаснее разложить или переработать. Частицы железа и его оксида поместили в матрицу из целлюлозы, крахмала и других совместимых с живыми системами веществ.
Снаружи датчики закрывает слой биосовместимых полимеров или природных материалов, например пчелиного воска. Покрытие защищает сенсор от влаги и одновременно задаёт срок работы. Меняя оболочку, разработчики могут регулировать, как долго напечатанный элемент сохранит стабильность. Для одних задач нужен короткий период службы, для других - более долговечная защита.
Когда биологическая матрица растворяется в воде, от датчика остаются главным образом окисленные частицы железа. По сути, это ржавчина. Команда специально исключила из процесса потенциально токсичные соединения никеля и кобальта, которые встречаются в части традиционных магнитных сенсоров.
Технологию производства печатных датчиков магнитного поля уже лицензировали. Теперь исследователи подбирают конкретные применения. Наиболее очевидные направления связаны с электроникой, которая нужна только на ограниченный срок: интеллектуальная упаковка, одноразовые медицинские изделия и сельскохозяйственные сенсорные системы. В таких областях компонент должен собрать нужные данные, отработать заданный период и не превратиться после выброса в лишний источник загрязнения.
Параллельно команда готовит новые варианты конструкции. В следующих проектах исследователи хотят проверить более стойкие защитные покрытия, другие биосовместимые материалы и способы встраивать сенсоры в гибкую электронику. Работа показывает практическое направление для массовых компонентов: датчики можно проектировать не только с расчётом на цену и толщину, но и с понятным сценарием завершения срока службы.