Circuiti da materie prime rinnovabili per un’elettronica “green”

È possibile produrre circuiti stampati ecologicamente sostenibili per l’industria elettronica a partire da fibre di cellulosa?
È Thomas Geiger, ricercatore dell’EMPA, che in Svizzera si è incaricato di dare una risposta a questa domanda.
Ora è inserito in un progetto multinazionale dell’Unione Europea chiamato “Hypelignum”. Il suo obiettivo è infatti un’elettronica biodegradabile.
Per molti anni, Thomas Geiger ha condotto ricerche nel campo delle fibrille di cellulosa, fibre sottili che possono essere prodotte, ad esempio, dalla pasta di legno o dai rifiuti agricoli.

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Dalla natura a emissioni zero di CO2, combustibili senza residui e persino compostabili

Le fibrille di cellulosa hanno un grande potenziale per la produzione sostenibile e la decarbonizzazione dell’industria: crescono in natura a emissioni zero di CO2, bruciano senza residui e sono persino compostabili.
Possono essere utilizzate per molteplici scopi, ad esempio come fibra di rinforzo in prodotti tecnici in gomma, come le membrane delle pompe.
Ma le fibrille di cellulosa possono essere utilizzate anche per realizzare circuiti stampati che riducano l’impronta ecologica dei computer?
I circuiti stampati o PCB, in particolare, sono tutt’altro che “innocenti” dal punto di vista ecologico: di solito sono costituiti da fibre di vetro imbevute di resina epossidica.
Questo materiale composito non è riciclabile e finora può essere smaltito correttamente soltanto in speciali impianti di pirolisi.

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Mouse per computer uguali al tatto e nell’aspetto all’avorio, però troppo “costosi”

Thomas Geiger aveva già prodotto circuiti stampati a partire da fibrille di cellulosa e ne aveva studiato la biodegradazione.
Mescolate con acqua, le biofibrille producono un fango denso che può essere disidratato e compattato in una speciale pressa.
Insieme a un collega, ha prodotto 20 schede sperimentali, che sono state sottoposte a vari test meccanici e infine dotate di componenti elettronici.
Il test è andato a buon fine e la scheda di cellulosa ha rilasciato i componenti saldati dopo alcune settimane di test nel terreno naturale.
Thomas Geiger era già stato coinvolto in un progetto Innosuisse insieme all’Università di Scienze Applicate della Svizzera Orientale (OST) di Rapperswil, nel Canton San Gallo, che produceva componenti di alloggiamento per mouse per computer.
Le parti dell’alloggiamento hanno una lucentezza setosa e sono simili per colore e sensazione al tatto a pezzi di avorio.
Ma non è stato possibile trovare nessun produttore che volesse adottare questo metodo.
La concorrenza sui prezzi per l’elettronica di piccole dimensioni è ancora troppo forte e i processi convenzionali di stampaggio a iniezione della plastica hanno un chiaro vantaggio in questo senso.

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Le schede per i circuiti informatici? In lana di legno oppure in fibrille di cellulosa

Di recente, si è presentata l’opportunità di sviluppare le scoperte esistenti: a Claudia Som, specialista di sostenibilità dell’EMPA, è stato chiesto di collaborare al progetto di ricerca “Hypelignum” dell’UE.
Questo progetto è guidato dall’Istituto Svedese di Ricerca sui Materiali RISE e sta cercando nuovi metodi per produrre elettronica in modo sostenibile. Claudia Som ha chiesto l’aiuto del collega Thomas Geiger.
Il progetto è iniziato nell’ottobre 2022 e il consorzio di ricerca, con partecipanti provenienti da Austria, Slovenia, Spagna, Paesi Bassi, Svezia e Svizzera, prevede di produrre e valutare schede elettroniche ecologiche realizzate con diversi materiali.
Oltre alla cellulosa nanofibrillata (CNF), si sta studiando la lana di legno e la pasta di legno come base; anche l’impiallacciatura di legno viene utilizzata come base per i circuiti.
L’impiallacciatura è un’operazione che viene eseguita in falegnameria e consiste nel ricoprire un legname non pregiato o un pannello con un sottilissimo tranciato di legno detto piallaccio.

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Gli specialisti della sostenibilità di Claudia Som del Laboratorio Tecnologia e Società

Al progetto collaborano due laboratori dell’EMPA: in primo luogo, gli specialisti della sostenibilità guidati da Claudia Som del Laboratorio Tecnologia e Società.
La Som utilizzerà i database dei materiali per calcolare l’impronta ecologica degli eco-circuiti e confrontare i singoli concetti tra loro.
Thomas Geiger, del laboratorio Cellulose & Wood Materials dell’EMPA, produrrà i circuiti con materie prime rinnovabili.
L’elettronica verde è da tempo un obiettivo di ricerca del laboratorio, diretto da Gustav Nyström.
Il team diretto da quest’ultimo ha già sviluppato diversi componenti elettronici stampati con materiali biodegradabili, come batterie e display.
I requisiti per i circuiti stampati prodotti a livello industriale, tuttavia, non sono banali: non soltanto devono avere un’elevata resistenza meccanica, ma debbono anche evitare di gonfiarsi in condizioni di umidità o di formare crepe con un’umidità molto bassa.

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Le particelle di cellulosa nanofibrillata disidratate si uniscono da sole senza additivi

“Le fibre di cellulosa possono essere un’ottima alternativa ai compositi in fibra di vetro”, spiega Geiger.
“Disidratiamo il materiale in una pressa speciale con una pressione di 150 tonnellate. Poi le fibrille di cellulosa si uniscono da sole, senza alcun additivo. Questo processo lo chiamiamo ‘cornificazione’…”.
La chiave è a quale pressione, temperatura e per quanto tempo deve avvenire il processo di pressatura per produrre risultati ottimali.

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Sono quattro i dimostratori già in programma, e a partire dagli inchiostri… conduttivi

Il progetto UE “Hypelignum” ha obiettivi ambiziosi: non si propone soltanto di studiare circuiti stampati realizzati con materie prime rinnovabili e compostabili, ma anche di sviluppare inchiostri conduttivi per le connessioni elettriche tra i singoli componenti.
Questi inchiostri sono spesso a base di nanoparticelle d’argento.
I ricercatori sono alla ricerca di materiali sostitutivi più economici e meno scarsi, nonché di un metodo di produzione ecologico per queste nanoparticelle.
Alla fine del progetto, quattro dimostratori dovrebbero mostrare i risultati ottenuti.
Un circuito stampato ecologicamente esemplare, un grande elemento di costruzione in legno che sarà dotato di sensori e attuatori, pezzi di arredamento che saranno dotati di sensori in una linea di produzione automatizzata e, infine, un dimostratore che illustrerà la riciclabilità di tutti questi componenti.

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Display e batterie in cellulosa elettricamente conduttiva grazie ai nanotubi di carbonio

Nel 2022, un gruppo di ricerca dell’EMPA guidato da Gustav Nyström è riuscito a costruire un display biodegradabile a base di idrossipropilcellulosa (HPC).
Hanno usato l’HPC come substrato e hanno aggiunto una piccola quantità di nanotubi di carbonio, rendendo la cellulosa elettricamente conduttiva.
Mescolando le nanofibre di cellulosa (CNF), hanno reso l’inchiostro stampabile. In tal modo, il display cambia colore a seconda della tensione elettrica applicata.
Inoltre, può servire anche come sensore di pressione o di tensione e ha il potenziale per svolgere il ruolo di interfaccia utente biodegradabile nella futura eco-elettronica.

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