Draagbare elektronica van zetmeel voorkomt e-waste

Aan de Rijksuniversiteit Groningen is een op zetmeel gebaseerd polymeer ontwikkeld dat het mogelijk maakt om een volledig biologisch afbreekbaar zacht materiaal voor sensoren te maken.

Ze publiceerden een paper over dit nieuwe materiaal in ACS Applied Materials & Interfaces.

Zachte, rekbare polymeren komen voor in verschillende soorten elektronische apparaten. In smartwatches maken ze bijvoorbeeld het contact met de huid. Ook sensoren in schoenen of kleding zijn vaak op deze materialen gebaseerd, net als het scherm van je smartphone. “Deze zachte materialen zijn vaak gemaakt van mengsels van polymeren, die moeilijk te scheiden zijn. Als gevolg daarvan worden ze op stortplaatsen gedumpt, vaak met de giftige metalen componenten van de sensor nog aanwezig. Dit soort elektronisch afval wordt een serieus probleem “, zegt Xiaohong Lan, eerste auteur van de paper en postdoc aan de University of Groningen Polymer Science group.

Lan en haar collega’s hebben nu een biologisch afbreekbaar materiaal ontwikkeld dat binnen enkele weken tot enkele maanden uiteenvalt. “Er zijn eenvoudige manieren om het metaal en de polymeren uit het e-waste te verwijderen”, zegt Lan. Het nieuwe polymeer van de onderzoekers valt uiteen en laat alleen water en koolstofdioxide achter.

“Om een biologisch afbreekbaar polymeer te maken, zijn we begonnen met een ruggengraat van van zetmeel afgeleide dextrine-koolhydraten”, zegt Lan. “De meeste polymeerruggengraat bevatten chemische bindingen, die erg sterk zijn. De dextrineruggengraat kan worden afgebroken door natuurlijke enzymen die in de bodem aanwezig zijn.” Aan de dextrine in de ruggengraat werden lange vetzuurstaarten toegevoegd en de onderzoekers konden de hoeveelheid toegevoegde vetzuren per glucose-eenheid gebruiken om de hydrofobiciteit van het polymeer te reguleren. “De enzymen die het polymeer afbreken hebben water nodig, dus als een materiaal te hydrofoob is, kunnen ze het niet. Als het polymeer daarentegen te hydrofiel is, heeft het materiaal niet de juiste eigenschappen.”

Het materiaal moet zacht en rekbaar zijn, maar ook diëlektrisch, wat betekent dat de sensoren zichzelf kunnen opladen met de elektriciteit die wordt opgewekt door tegen de stof te wrijven. Naast de vetzuurstaart werd het gemodificeerde dextrinepolymeer ook geënt met lactonmonomeren in een borstelachtig patroon. Deze borstels geven het materiaal zijn rekbaarheid. Het resulterende ‘Advanced Scalable Supersoft Elastic Transparent material’ (Assetm) heeft alle juiste eigenschappen. Uit experimenten bleek dat het geschikt is om elektroden in te verzegelen om sensoren te maken. “We hebben onze sensoren vergeleken met geavanceerde commerciële sensoren en ontdekten dat die van ons minstens zo goed werkten”, zegt Lan.

Het productieproces is schaalbaar, dus er is geen reden waarom deze biologisch afbreekbare Assetm de traditionele zachte polymeren in slimme elektronica niet zou kunnen vervangen.