Leaftronics

Unter der Leitung von Prof. Karl Leo arbeiten Forschende an der TU Dresden derzeit an neuen Ansätze für biologisch abbaubare elektronische Substrate. Leaftronics ist der Titel eines Forschungsprojekts, in dem von der Natur inspirierte Ansätze zur Behebung des weltweiten Aufkommens von Elektroschrott entwickelt werden. Erste spannende Ergebnisse wurden jüngst in der Zeitschrift „Science Advances“ publiziert.

Biologisch abbaubare Leiterplatten aus Lignozellulosestrukturen

Tablets, Smartphones und elektronisches Spielzeug gehen heute auf Schaltkreise zurück, die in aller Regel auf Leiterplatten aus glasfaserverstärktem Epoxidharz aufgebracht sind. Diese können weder recycelt noch in den biologischen Kreislauf zurückgeführt werden. Experten schätzen die Menge der weltweit anfallenden Elektronikabfälle pro Jahr auf mehr als 60 Millionen Tonnen.

Bei der Suche nach Alternativen hat man sich bislang auf die Entwicklung biologisch abbaubarer natürlicher Polymere konzentriert, die allerdings Probleme bei der Chemikalienbeständigkeit bzw. Hitzestabilität haben. Der Konflikt zwischen biologischer Abbaubarkeit, die lose gebundene Moleküle erfordert, und thermischer oder chemischer Stabilität, die fest Molekülstrukturen voraussetzt, stellte lange Zeit eine große Herausforderung dar.

Nun haben Wissenschaftler am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden im Forschungsprojekt Leaftronics einen Ansatz gefunden, der die natürliche Struktur von Blättern nutzt, um biologisch abbaubare elektronische Substrate mit verbesserten Eigenschaften herzustellen. Ihre Ergebnisse versprechen eine nachhaltige und skalierbare Lösung für das Thema Elektroschrott.

Die Entwicklung basiert auf der Feststellung, dass Lignozellulosestrukturen in natürlichen Blättern, die als Gerüst für die lebenden Zellen dienen, zur Verstärkung biologisch abbaubarer 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, sogar bei relativ hohen Temperaturen, zusammenhalten können“, erklärt Dr. Hans Kleemann.

Die Entdeckung geht auf die Arbeit von Dr. Rakesh R. Nair zurück, der im Rahmen seiner 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.

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

Leaftronics stellt 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. Dies macht die Rückführung macht vor allem die Rückführung wertvoller Materialien möglich. Angesichts des weltweiten Strebens nach umweltfreundlicheren Technologien bietet Leaftronics eine positive Perspektive auf die Zukunft der Elektronik.

Ein ausführlicher Forschungsbericht ist erschienen in: www.science.org