Von Ihrem Navigationsdisplay im Auto bis hin zum Bildschirm, auf dem Sie diesen Text lesen, finden lumineszente Polymere – eine Klasse flexibler Materialien mit lichtemittierenden Molekülen – Anwendung in vielen Elektronikgeräten. Diese Polymere zeichnen sich durch ihre Lichtemission sowie ihre bemerkenswerte Flexibilität und Dehnbarkeit aus, was sie für vielfältige Einsatzgebiete vielversprechend macht.
Jedoch werden diese Elektronikprodukte nach ihrem Gebrauch entsorgt und sammeln sich auf Deponien oder werden unter der Erde vergraben. Das Recycling dieser Elektronikabfälle ist komplex und erfordert teure und energieineffiziente Prozesse. Obwohl es wirtschaftliche Anreize gibt, die wichtigsten Halbleitermaterialien – in diesem Fall lumineszente Polymere – zu recyceln, gab es bislang keine Methode, dies zu erreichen, da die Gestaltung der Materialien auf molekularer Ebene herausfordernd war.
Biologisch abbaubar
„Es ist uns gelungen, dieses Material biologisch abbaubar und recycelbar zu machen, ohne die Funktionalität zu opfern“, sagt Jie Xu, Projektleiter und Wissenschaftler am Argonne National Laboratory.
Der Anstoß für diese Herausforderung war die neueste Veröffentlichung in Nature Sustainability, die von Forschern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) in Zusammenarbeit mit der University of Chicago, der Purdue University und der Yale University geleitet wurde. Das Team entwickelte eine Strategie zur Gestaltung von lumineszenten Polymeren mit hoher Lichtemissionseffizienz von Anfang an, die sowohl biologisch abbaubar als auch recycelbar sind. Dies geschieht durch die Integration eines chemischen Stoffes, des tert-Butylesters, der bei Erhitzung oder mildem Säurekontakt abgebaut werden kann. Kurz gesagt, dieser chemische Stoff ermöglicht das Recycling des Materials bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Lichtemissionseigenschaften.
Das Team testete dann die äußere Quanteneffizienz des Materials, einen Indikator für die Leistungsfähigkeit von Lichtquellen. Es erzielte beeindruckende 15,1 Prozent in der Elektrolumineszenz, was eine Verzehnfachung im Vergleich zu bestehenden abbaubaren lumineszenten Polymeren darstellt.
Am Lebensende kann dieses neue Polymer entweder unter milden sauren Bedingungen (nahe dem pH-Wert von Magensäure) oder bei relativ niedriger Hitze (> 210 °C) abgebaut werden. Die resultierenden Materialien können isoliert und zu neuen Materialien für zukünftige Anwendungen verarbeitet werden.
Wegweisende Arbeit
„Diese Arbeit dient als wichtiger Maßstab für die nachhaltige Gestaltung zukünftiger Elektronik“, sagte Jie Xu. Das Team zielt darauf ab, zukünftige Elektronik nachhaltiger zu gestalten (leichter abbaubar oder recycelbar) und nicht nur für aktuelle Funktionen zu entwerfen. Sie möchten auch die Einsatzmöglichkeiten dieser Produkte in anderen Bereichen erweitern.
„Das Design muss weiterhin mit der Verarbeitbarkeit kompatibel sein, und letztendlich muss es in echten Anwendungen verwendet werden“, sagte Yuepeng Zhang, Materialwissenschaftler bei Argonne und Mitautor der Veröffentlichung. Die Forscher prognostizieren, dass dieses neue Polymer auf bestehende Technologien wie Displays und medizinische Bildgebung angewendet werden kann und neue Anwendungen ermöglicht.
Die nächsten Schritte zur Skalierung der Technologie umfassen die Überführung vom Labor in Elektronikgeräte wie Handys und Computerbildschirme, begleitet von weiteren Tests. Das Team wies darauf hin, dass dies nur ein erster Schritt im Prozess ist, aber bei Elektronikabfällen zählt jeder Schritt. Xu hofft, dass mehr Aufmerksamkeit auf die Gestaltung von Elektronik mit Blick auf Recycling gerichtet wird, insbesondere da dieser Nachweis des Konzeptes für die Depolymerisation so erfolgreich war.
„Dies ist eine 46 Milliarden Dollar schwere Industrie, die nur wächst“, sagte Xu. „Bis 2032 wird geschätzt, dass die Branche auf 260 Milliarden Dollar anwachsen wird. Mit dieser Methode können wir diese Art von Elektronikabfällen beseitigen, die sonst auf Deponien landen würden.“
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
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