19 sep 2022 (Nanowerk Nieuws) Niet-biologisch afbreekbaar elektronisch afval blijft zich jaar na jaar ophopen. Om die reden ligt het voor de hand liggende oplossing om elektronische componenten in ieder geval deels uit een natuurlijke grondstof als hout te maken. Maar het is makkelijker gezegd dan gedaan. Om te beginnen is hout van nature een elektrische isolator. Het heeft ook een complexe structuur, waardoor het een uitdaging is om homogene elektrische eigenschappen te bereiken tijdens grootschalige fabricage. Nu heeft een onderzoeksteam van Empa en van ETH's Institute for Building Materials een praktische en veelzijdige methode ontwikkeld om houten oppervlakken elektrisch geleidend te maken door ze te grafitiseren (Nature Communications, "Duurzame houtelektronica door door ijzer gekatalyseerde laser-geïnduceerde grafitisering voor grootschalige toepassingen"). Op deze manier kunnen apparaten zoals touchpanels en sensoren op grote schaal met grote efficiëntie worden geproduceerd. De truc is om het hout voor te behandelen met een ijzerhoudende inkt. Het project werd geleid door Ingo Burgert en Guido Panzarasa. Groene elektronica: Het maken van elektronische componenten in ieder geval deels uit een natuurlijke grondstof als hout lijkt een voor de hand liggende oplossing. (Afbeelding: SNF)

Inkt uit de Middeleeuwen

Om geleidende structuren op hout te maken, verbetert de nieuwe methode een bestaand proces dat laser-geïnduceerde grafitisatie wordt genoemd. Een laser kan fijne lijntjes in houten planken of fineren graveren. In dit proces verwarmt de energie van de laserstraal het hout, waardoor een reeks pyrolytische gebeurtenissen ontstaat die leiden tot de vorming van elektrisch geleidend grafiet. De verkregen geleidende patronen zijn echter onregelmatig in diepte en breedte en er is ook brandgevaar door oververhitting. Vaak zijn er ook meerdere laserstappen voor nabewerking nodig. "De dichtheid van hout varieert afhankelijk van de boomsoort en de groei", zegt Christopher Dreimol, eerste auteur van het onderzoek. "Het resultaat kan een zeer ongelijkmatige grafitisering zijn." Zo kwam het onderzoeksteam op het idee om ijzer als katalysator te gebruiken om een ​​zachter proces en een veel homogener oppervlak mogelijk te maken. Op zoek naar een biologisch gebaseerd katalysatormateriaal, liet Dreimol zich inspireren door de ijzergal-inkt, een mengsel van ijzerzout en tannines dat al in de middeleeuwen werd gebruikt om te schrijven. Na het optimaliseren van de receptuur bekleedde Dreimol verschillende houtfineersoorten met een dun laagje inkt en onderwierp deze vervolgens aan de laserbehandeling. De inktlaag had het gewenste effect. De patronen die na slechts één doorgang werden gegraveerd, vertoonden een meer uniforme structuur en geleidbaarheid, ongeacht verschillen in de houtstructuur en -soort. “Door de inkt wordt het hout zo snel omgezet in grafiet dat er minder thermische schade is en geen brandgevaar”, zegt Dreimol. Bovendien wordt er veel minder hout gekapt. De patronen zijn slechts enkele micrometers diep en kunnen zo in het dunste fineer worden gegraveerd zonder het daadwerkelijk te beschadigen.

Lichtgevend hout voor displays

Het team gebruikte vervolgens hun nieuwe methode om elektronische proefcomponenten te maken van sparren-, kersen- en beukenfineer van minder dan een halve millimeter dik. Volgens Dreimol zouden buigbare spanningssensoren discreet kunnen worden geïntegreerd in dragende houten componenten in gebouwen, waardoor hun structurele gezondheid constant kan worden gecontroleerd. Ook konden de onderzoekers het flinterdunne hout laten gloeien door middel van een elektroluminescerende laag. Ondanks de nerf van het fineer werd een homogene verlichting bereikt. Dit is een ongekend resultaat en zou kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals achtergrondverlichting voor displays of voor advertenties en bedieningspanelen. Voor het elektroluminescente hout gebruikten de onderzoekers echter nog conventionele bedrading en elektronische componenten. In de toekomst zouden deze ook deels vervangen kunnen worden door geleidend hout. De volgende stap is het verfijnen en verder ontwikkelen van de methode voor grootschalig gebruik: “Het feit dat we nu relatief grote gebieden in een acceptabele tijd kunnen verwerken, is de eerste stap naar het industrialiseren van elektronische componenten van hout”, zegt Dreimol.