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Un chip de nanofibras de celulosa sobre una hoja. Imagen: Yei Hwan Jung. Fuente: Laboratorio de Nanoingeniería de la Universidad de Wisconsin
De entre los problemas causados por las nuevas tecnologías, quizás uno de los más alarmantes es el enorme volumen de residuos que se generan, dada la velocidad con la que se desechan los productos y micro-componentes electrónicos. Estos residuos no solo suelen ser de materiales no renovables y no biodegradables, sino que en muchas ocasiones también incluyen componentes tóxicos que pueden ser perjudiciales para las personas y el medio ambiente.
La búsqueda de una solución a este problema ha sido el principal objetivo de un equipo de investigación estadounidense que ha reunido a científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison con miembros del Laboratorio de Productos Forestales dependiente del Departamento de Agricultura.
Como respuesta al problema, los científicos han creado un nuevo chip semiconductor que basa su fabricación en la madera, siendo así un recurso cuyo desecho no solo no provocará daños al medio ambiente, sino que resultará beneficioso para este.
Trabajo a escala nanométrica
Para la construcción del chip ha sido necesaria la cooperación de expertos no solo en computación y electrónica, sino también en ingeniería biomédica o ingeniería de materiales compuestos, que han desarrollado un material basado en nanofibras de celulosa (CNF).
Los nanomateriales sostenibles son un campo de investigación en que Zhiyong Cai, miembro del Laboratorio de Productos Forestales, lleva trabajando varios años. La dimensión de las fibras que han desarrollado para este chip es fruto de un proceso de reducción que ha superado la escala de los micrones para alcanzar la nanometría, que permite “crear este material, un papel de nanofibras de celulosa transparente y muy fuerte”, según afirma.
El equipo que lidera se enfrentaba a un doble reto en el uso de materiales derivados de la madera para componentes electrónicos: por un lado, lo liso de las superficies; por otro, la expansión térmica, algo muy a tener en cuenta en el trabajo con celulosa.
La solución llego en parte con las propiedades de las nanofibras de celulosa, un polímero con un coeficiente de expansión muy bajo, en comparación con otros. A ello se añadió una capa de resina epoxi para cubrir el material, que permitió alisar la superficie y crear una barrera hidrotérmica, manteniendo las propiedades biodegradables y de resistencia de la nanocelulosa.
La búsqueda de una solución a este problema ha sido el principal objetivo de un equipo de investigación estadounidense que ha reunido a científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison con miembros del Laboratorio de Productos Forestales dependiente del Departamento de Agricultura.
Como respuesta al problema, los científicos han creado un nuevo chip semiconductor que basa su fabricación en la madera, siendo así un recurso cuyo desecho no solo no provocará daños al medio ambiente, sino que resultará beneficioso para este.
Trabajo a escala nanométrica
Para la construcción del chip ha sido necesaria la cooperación de expertos no solo en computación y electrónica, sino también en ingeniería biomédica o ingeniería de materiales compuestos, que han desarrollado un material basado en nanofibras de celulosa (CNF).
Los nanomateriales sostenibles son un campo de investigación en que Zhiyong Cai, miembro del Laboratorio de Productos Forestales, lleva trabajando varios años. La dimensión de las fibras que han desarrollado para este chip es fruto de un proceso de reducción que ha superado la escala de los micrones para alcanzar la nanometría, que permite “crear este material, un papel de nanofibras de celulosa transparente y muy fuerte”, según afirma.
El equipo que lidera se enfrentaba a un doble reto en el uso de materiales derivados de la madera para componentes electrónicos: por un lado, lo liso de las superficies; por otro, la expansión térmica, algo muy a tener en cuenta en el trabajo con celulosa.
La solución llego en parte con las propiedades de las nanofibras de celulosa, un polímero con un coeficiente de expansión muy bajo, en comparación con otros. A ello se añadió una capa de resina epoxi para cubrir el material, que permitió alisar la superficie y crear una barrera hidrotérmica, manteniendo las propiedades biodegradables y de resistencia de la nanocelulosa.
Facilidad al reemplazar los materiales
Entre los principales beneficios del chip, sus desarrolladores destacan lo fácil que resulta sustituir los materiales antiguos –no renovables, no biodegradables y, en más de una ocasión, tóxicos– por este nuevo modelo a partir de nanofibras de celulosa.
“Gran parte del material que forma un chip es el soporte. Apenas usamos un par de micrómetros para el funcionamiento”, afirma Zhenqiang “Jack” Ma, ingeniero de sistemas eléctricos y computación en la Universidad de Wisconsin-Madison. Gracias a este desarrollo, los investigadores han podido sustituir todo ese material de soporte por uno “tan seguro que puedes desecharlo en el bosque y dejar que se biodegrade, convirtiéndose en fertilizante”.
Hasta ahora, la mayoría de chips y dispositivos inalámbricos basan su construcción en el arseniuro de galio, un material semiconductor que muestra un gran rendimiento trabajando en altas frecuencias, y que se ha popularizado a pesar de su precio o de que pueda suponer un peligro por su toxicidad cuando se desecha en grandes cantidades.
La flexibilidad y versatilidad del nuevo chip biodegradable, además de tener un impacto positivo en el medio ambiente, facilitará su popularización en el mundo de la circuitería.
Los nuevos dispositivos son “completamente funcionales y con una eficiencia comparable a la de los modelos existentes”, en palabras de Yei Hwan Jung, uno de los estudiantes que han participado en el proyecto, y que recuerda “el enorme desperdicio de espacio” que hay en los chips de arseniuro de galio, y que se pretende evitar con el modelo biodegradable.
“Puede que la industria tarde en adaptarse a nuestro diseño”, dice Ma, “pero la producción en masa de estos semiconductores es muy barata. Esta electrónica es el futuro, y creo que llevamos bastante ventaja en este terreno”.
Entre los principales beneficios del chip, sus desarrolladores destacan lo fácil que resulta sustituir los materiales antiguos –no renovables, no biodegradables y, en más de una ocasión, tóxicos– por este nuevo modelo a partir de nanofibras de celulosa.
“Gran parte del material que forma un chip es el soporte. Apenas usamos un par de micrómetros para el funcionamiento”, afirma Zhenqiang “Jack” Ma, ingeniero de sistemas eléctricos y computación en la Universidad de Wisconsin-Madison. Gracias a este desarrollo, los investigadores han podido sustituir todo ese material de soporte por uno “tan seguro que puedes desecharlo en el bosque y dejar que se biodegrade, convirtiéndose en fertilizante”.
Hasta ahora, la mayoría de chips y dispositivos inalámbricos basan su construcción en el arseniuro de galio, un material semiconductor que muestra un gran rendimiento trabajando en altas frecuencias, y que se ha popularizado a pesar de su precio o de que pueda suponer un peligro por su toxicidad cuando se desecha en grandes cantidades.
La flexibilidad y versatilidad del nuevo chip biodegradable, además de tener un impacto positivo en el medio ambiente, facilitará su popularización en el mundo de la circuitería.
Los nuevos dispositivos son “completamente funcionales y con una eficiencia comparable a la de los modelos existentes”, en palabras de Yei Hwan Jung, uno de los estudiantes que han participado en el proyecto, y que recuerda “el enorme desperdicio de espacio” que hay en los chips de arseniuro de galio, y que se pretende evitar con el modelo biodegradable.
“Puede que la industria tarde en adaptarse a nuestro diseño”, dice Ma, “pero la producción en masa de estos semiconductores es muy barata. Esta electrónica es el futuro, y creo que llevamos bastante ventaja en este terreno”.
Referencia bibliográfica:
Yei Hwan Jung, Tzu-Hsuan Chang, Huilong Zhang, Chunhua Yao, Qifeng Zheng, Vina W. Yang, Hongyi Mi, Munho Kim, Sang June Cho, Dong-Wook Park, Hao Jiang, Juhwan Lee, Yijie Qiu, Weidong Zhou, Zhiyong Cai, Shaoqin Gong & Zhenqiang Ma. High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper . Nature Communications (2015). DOI:10.1038/ncomms8170.
Yei Hwan Jung, Tzu-Hsuan Chang, Huilong Zhang, Chunhua Yao, Qifeng Zheng, Vina W. Yang, Hongyi Mi, Munho Kim, Sang June Cho, Dong-Wook Park, Hao Jiang, Juhwan Lee, Yijie Qiu, Weidong Zhou, Zhiyong Cai, Shaoqin Gong & Zhenqiang Ma. High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper . Nature Communications (2015). DOI:10.1038/ncomms8170.
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