Faszination Technik Biologisch abbaubare Leiterplatten nach dem Vorbild der Natur

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Wie es einem Forschungsteam der TU Dresden gelungen ist, vollständig biologisch abbaubare Leiterplatten zu entwickeln.

Elektronische Geräte, vom Spielzeug bis zum Smartphone, bestehen aus Schaltkreisen. Für die Herstellung dieser Schaltkreise werden Substrate eingesetzt. In der kommerziellen Elektronik sind das Leiterplatten, welche aus glasfaserverstärktem Epoxidharz aufgebaut sind. Diese Materialien sind größtenteils nicht recyclefähig oder biologisch abbaubar. Angesichts der Menge an Elektronikabfällen von mehr als 60 Millionen Tonnen pro Jahr (von denen über 75 Prozent weltweit nicht erfasst werden) besteht ein dringender Bedarf an nachhaltigen Alternativen.

Herausforderung Stabilität

Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung biologisch abbaubarer natürlicher Polymere als Werkstoffe, die sich jedoch aufgrund von Problemen mit der Hitzestabilität und der Beständigkeit gegenüber Chemikalien als nicht geeignet herausstellten. Der Konflikt zwischen biologischer Abbaubarkeit, die lose gebundene Moleküle erfordert, und thermischer oder chemischer Stabilität, die fest gebundene Moleküle voraussetzt, stellte lange Zeit eine große Herausforderung dar.

Nun hat ein Forschungsteam am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden unter der Leitung von Professor Karl Leo einen großen Schritt nach vorn gemacht und Leaftronics entwickelt – einen Ansatz, der die natürliche Struktur von Blättern nutzt, um biologisch abbaubare elektronische Substrate mit verbesserten Eigenschaften herzustellen. Ihre Ergebnisse, die im Fachblatt Science Advances publiziert wurden, versprechen eine nachhaltige, effiziente und skalierbare Lösung für das globale Elektroschrottproblem.

Von der Natur inspiriert

Der Durchbruch beruht auf der Entdeckung, dass quasifraktale Lignozellulosestrukturen in natürlichen Blättern, die als Gerüst für die lebenden Zellen eines Blattes dienen, zur Verstärkung biologisch abbaubarer, nassprozessierter Polymerfilme verwendet werden können. „Wir waren überrascht, dass diese natürlichen, quasi fraktalen Lignozellulosegerüste nicht nur lebende Zellen in der Natur unterstützen, sondern auch lösungsfähige Polymere zusammenhalten können, sogar bei relativ hohen Temperaturen, bei denen diese Polymere normalerweise anfangen sollten zu fließen“, erklärt Dr. Hans Kleemann, Leiter der Gruppe Organische Baulelemente und Systeme am Institut für Angewandte Physik.

Die Entdeckung geht auf die Arbeit von Dr. Rakesh R. Nair zurück, der im Rahmen seiner kürzlich abgeschlossenen Promotion an der Umsetzung natürlicher Strukturen für moderne elektronische Anwendungen geforscht hat. „Wir sehen, dass die eingebettete, natürliche quasi fraktale Struktur Polymerfilme thermomechanisch zu stabilisieren scheint, ohne ihre biologische Abbaubarkeit zu beeinträchtigen“, fügt Rakesh Nair hinzu.

Lignozellulose hält Herstellung stand

Die Forschenden haben gezeigt, dass diese mit Lignozellulose verstärkten Polymerfolien dem Herstellungsprozess für gelötete Schaltkreise standhalten und moderne Dünnschichtgeräte wie organische Leuchtdioden (OLEDs) unterstützen können. Die Glätte der Folien, eine wichtige Voraussetzung für die Abscheidung ultradünner Materialschichten, öffnet die Tür für die Herstellung von Hochleistungs-Dünnschichtelektronik auf diesen Substraten.

Was Leaftronics leistet

Leaftronics stellt nach Angaben der TU Dresden ein neues Paradigma für elektronische Materialien dar, bei dem biologische Strukturen genutzt werden, um die Eigenschaften von Polymeren zu verbessern, ohne dass diese chemisch intensiv verändert werden müssen. Zusätzlich zu ihren technischen Vorteilen haben diese Substrate einen dreimal geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck als Papier. Wenn die Geräte das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben, können die Substrate leicht im Boden abgebaut oder in Biogasanlagen verarbeitet werden, was die Gewinnung von elektronischen Bauteilen oder wertvollen Materialien für Recyclingzwecke ermöglicht.

Eine nachhaltige Zukunft für die Elektronik

Die Entwicklung von Leaftronics könnte weitreichende Auswirkungen auf zahlreiche Branchen – von der Unterhaltungselektronik bis zu erneuerbaren Energien – reichen. Angesichts des weltweiten Strebens nach umweltfreundlicheren Technologien bietet Leaftronics einen Ausblick auf die Zukunft der Elektronik, in der Hochleistungsgeräte mit ökologischer Nachhaltigkeit einhergehen können.

„Diese Arbeit weist auf eine vielversprechende Verschmelzung von Natur und Technologie hin und bietet einen nachhaltigen Weg in die Zukunft, in der wir uns bemühen, Abfälle zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen – ein wichtiger Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft in der Elektronik“, sagt Karl Leo, Professor für Optoelektronik und Direktor des interdisziplinären Zentrums Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (DC IAPP).

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