Agencias/Ciudad de México.- Un nuevo material de sustrato flexible desarrollado en el MIT, la Universidad de Utah y Meta facilita el reciclaje de desechos electrónicos y la fabricación de circuitos multicapa más complejos.
Los desechos electrónicos son un problema global que crece rápidamente y se espera que empeore con la producción de nuevos tipos de electrónica flexible para robótica, dispositivos portátiles, monitores médicos y otras aplicaciones nuevas, incluidos los dispositivos de un solo uso.
El desarrollo del nuevo material se describe en la revista RSC: Applied Polymers.
“Reconocemos que los desechos electrónicos son una crisis global en curso que solo empeorará a medida que sigamos construyendo más dispositivos para la Internet de las cosas y el resto del mundo se desarrolle”, dice en un comunicado Thomas J. Wallin, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT y autor principal del estudio. Hasta la fecha, gran parte de la investigación académica en este frente se ha centrado en desarrollar alternativas a los sustratos convencionales para la electrónica flexible, que utilizan principalmente un polímero llamado Kapton, un nombre comercial para la poliimida.
La mayoría de estas investigaciones se han centrado en materiales poliméricos completamente diferentes, pero “eso realmente ignora el aspecto comercial de la cuestión, es decir, por qué la gente eligió los materiales que eligió al principio”, dice Wallin. Kapton tiene muchas ventajas, incluidas excelentes propiedades térmicas y aislantes y una fácil disponibilidad de materiales de origen.
“Electronic waste is an ongoing global crisis,” says DMSE’s Thomas J. Wallin. His team has now developed a new degradable material for flexible electronics that could allow the recycling of parts from many single-use and wearable devices. https://t.co/r03XCNHo6k pic.twitter.com/D2pFbVE1YS
— Massachusetts Institute of Technology (MIT) (@MIT) August 7, 2024
En resumen, desarrollaron una familia de poliimidas de red fotopolimerizables y reprocesables como alternativa a las poliimidas aromáticas como Kapton en aplicaciones de sustratos electrónicos. Sintetizamos monómeros de dialil bisimida personalizados que participan en la fotopolimerización de tiol-eno y la caracterización de las redes de polímeros resultantes revela una resistencia mecánica, estabilidad térmica, conductividad térmica y propiedades dieléctricas adecuadas, que se comparan bien con las poliimidas comerciales.
Se proyecta que el negocio de la poliimida será un mercado global de 4,000 millones de dólares para 2030. “Está en todas partes, básicamente en todos los dispositivos electrónicos”, incluidas piezas como los cables flexibles que interconectan diferentes componentes dentro de su teléfono celular o computadora portátil, explica el coautor Chen Wang, profesor de la Universidad de Utah. También se usa ampliamente en aplicaciones aeroespaciales debido a su alta tolerancia al calor. “Es un material clásico, pero no se ha actualizado durante tres o cuatro décadas”, dice.
Sin embargo, también es prácticamente imposible fundir o disolver Kapton, por lo que no se puede reprocesar. Las mismas propiedades también dificultan la fabricación de los circuitos en arquitecturas avanzadas, como la electrónica multicapa. La forma tradicional de fabricar Kapton implica calentar el material a entre 200 y 300 grados Celsius. “Es un proceso bastante lento. Lleva horas”, dice Wang.
El material alternativo que desarrolló el equipo, que es en sí mismo una forma de poliimida y, por lo tanto, debería ser fácilmente compatible con la infraestructura de fabricación existente, es un polímero curado con luz similar a los que ahora utilizan los dentistas para crear empastes resistentes y duraderos que se curan en unos pocos segundos con luz ultravioleta. Este método de endurecimiento del material no solo es comparativamente rápido, sino que puede funcionar a temperatura ambiente.
El nuevo material podría servir como sustrato para circuitos multicapa, lo que proporciona una forma de aumentar en gran medida la cantidad de componentes que se pueden empaquetar en un factor de forma pequeño. Anteriormente, como el sustrato de Kapton no se derrite fácilmente, las capas tenían que pegarse entre sí, lo que agrega pasos y costos al proceso. El hecho de que el nuevo material pueda procesarse a baja temperatura y, al mismo tiempo, endurecerse muy rápidamente a demanda podría abrir posibilidades para nuevos dispositivos multicapa, dice Wang.
Researchers in @mit_dmse, the University of Utah, and Meta developed a new kind of flexible substrate material that has the potential to enable the recycling of materials and components at the end of a device’s life.https://t.co/DvWlPukAUz
— MIT School of Engineering (@MITEngineering) August 16, 2024
En cuanto a la reciclabilidad, el equipo introdujo subunidades en la cadena principal del polímero que pueden disolverse rápidamente mediante una solución de alcohol y catalizador. Luego, los metales preciosos utilizados en los circuitos, así como los microchips completos, pueden recuperarse de la solución y reutilizarse para nuevos dispositivos.
“Diseñamos el polímero con grupos éster (un tipo de compuestos orgánicos derivados de petróleo o inorgánicos oxigenados) en la cadena principal”, a diferencia del Kapton tradicional, explica Wang. Estos grupos éster pueden descomponerse fácilmente mediante una solución bastante suave que elimina el sustrato y deja el resto del dispositivo intacto. Wang señala que el equipo de la Universidad de Utah ha cofundado una empresa para comercializar la tecnología.
Este marco ofrece una solución al creciente problema de los desechos electrónicos, ya que demostramos que la despolimerización suave mediante reacciones de transesterificación permite la eliminación selectiva del sustrato y la recuperación de componentes eléctricos aún funcionales. Lo más importante es que este sistema de fotopolímero se integra bien en los flujos de trabajo comerciales existentes y ofrece ventajas únicas para los circuitos densos y multicapa.
“Descomponemos el polímero en sus pequeñas moléculas originales. Luego podemos recolectar los costosos componentes electrónicos y reutilizarlos”, agrega Wallin. “Todos sabemos sobre la escasez de la cadena de suministro con chips y algunos materiales. Los minerales de tierras raras que se encuentran en esos componentes son muy valiosos. Por eso, creemos que ahora existe un gran incentivo económico, además de ambiental, para realizar estos procesos para recuperar estos componentes”.
Las materias primas químicas de dichos precursores sugieren además una escalabilidad económica. Por lo tanto, creemos que este trabajo representa un avance significativo en el desarrollo de materiales respetuosos con el medio ambiente para aplicaciones electrónicas, lo que contribuye a los esfuerzos destinados a abordar la creciente crisis de los desechos electrónicos al tiempo que se mantienen los estándares de rendimiento requeridos por la industria.
Es importante señalar que las demandas de algunas aplicaciones pueden requerir mejoras adicionales en el rendimiento del material y que, si bien son comparables, nuestros materiales no alcanzan a Kapton en ciertas métricas. Las investigaciones futuras podrían considerar la adición de rellenos particulados para mejorar aún más la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica, la constante dieléctrica, etc. Es probable que una estrategia tan sencilla tenga éxito, ya que las películas de poliimida comerciales suelen ser compuestos.
Además, nuestros materiales son poliimidas debido a la incorporación de grupos imida en nuestros monómeros dialílicos. Podríamos aumentar el carácter poliimida de la cadena principal utilizando poliimidas oligoméricas como precursores, aunque a expensas de una procesabilidad obstaculizada, como el aumento de la temperatura de fusión y la viscosidad. Además, podríamos manipular la tasa de degradación controlando la densidad volumétrica de los grupos éster disminuye. Finalmente, el trabajo futuro podría centrarse en “cerrar el ciclo” aún más mediante la repolimerización del sustrato, aunque la motivación económica para tales esfuerzos sigue sin estar clara.
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