Le apparecchiature elettroniche portatili in genere sono realizzate con materiali non rinnovabili, non biodegradabili e potenzialmente tossici; per di più, data la rapida obsolescenza dei modelli o comunque la tendenza a inseguire l’ultimo gadget avanzato e funzionale, questi dispositivi, o i loro componenti, vengono scartati a un ritmo allarmante. Negli Stati Uniti, ad esempio, un rapporto pubblicato dall’EPA (Environmental Protection Agency) già nel 2012 mostrava che circa 152 milioni di dispositivi mobili venivano scartati ogni anno, di cui solo il 10% veniva riciclato: un ingente patrimonio di rifiuti che consuma una quantità enorme di risorse naturali e produce montagne di spazzatura composta peraltro da materiali costosi e non biodegradabili come il silicio altamente purificato.
Nel tentativo di ridurre l’impatto ambientale dei dispositivi elettronici, un team di ricercatori dell’Università di Wisconsin-Madison ha avviato una collaborazione con ricercatori del Dipartimento statunitense dell’Agricoltura presso il Forest Products Laboratory (FPL) di Madison, allo scopo di sviluppare una soluzione originale: un chip a semiconduttore fatta quasi interamente in legno. Il team di ricerca, guidato da Zhenqiang “Jack” Ma, professore di ingegneria elettrica e informatica professore ha illustrato il nuovo dispositivo dapprima in un articolo pubblicato dalla rivista Nature Communications e successivamente sull’ultimo numero di Applied Physics Letters. Negli articoli si presenta la possibilità di sostituire il substrato di un chip con nanofibril cellulosa (CNF), un materiale biodegradabile flessibile in legno.
La maggior parte del materiale in un chip infatti è il supporto; solo una piccolissima parte è occupata dal resto. Zhenqiang e collaboratori si sono concentrati sul supporto a partire dai risultati che stava ottenendo il gruppo di ricerca del FPL, costituito nel 2009 per lo sviluppo di nanomateriali sostenibili. Lavorando il legno degli alberi, come è noto, si ottengono fibre con le quali realizzare la carta: la dimensione delle fibre è dell’ordine dei micron (millesimi di millimetro). Se però passiamo alla scala nanometrica, è possibile ottenere un nuovo materiale, il CNF appunto, che si presenta come forte, trasparente e flessibile; e ha le potenzialità di sostituire i wafer di silicio come substrato elettronico.
Non è stato facile comunque ottenere le prestazioni richieste dai supporti per l’elettronica: ad esempio, c’era il problema della levigatezza superficiale e della dilatazione termica; il legno si sa, è igroscopico e sensibile all’umidità, può quindi deformarsi e rigonfiarsi. I due problemi sono stati però superati ricorrendo a un rivestimento epossidico sulla superficie del CNF. Inoltre, rispetto ad altri polimeri, il CNF ha anche il vantaggio di avere un coefficiente relativamente basso di dilatazione termica.
Per rendere però i chip adatti ai dispositivi elettronici portatili, i transistor biodegradabili devono essere in grado di operare alle frequenze delle microonde, che è il campo di lavoro della maggior parte dei dispositivi wireless. I ricercatori hanno quindi condotto una serie di esperimenti, misurando attentamente le caratteristiche corrente-tensione per studiare le prestazioni funzionali del dispositivo: i risultati hanno mostrato che il transistore biodegradabile ha capacità operative nelle microonde paragonabili se non superiori a quelle dei transistor a semiconduttore esistenti. I processi di produzione dei chip messi a punto dal gruppo di Zhenqiang comportano anche una riduzione di materiale tossico e inquinante come l’arseniuro di gallio, particolarmente utilizzato nella maggior parte dei dispositivi wireless. Con una tecnica di assemblaggio deterministico gli ingegneri di Madison hanno sistemato1.500 transistor all’arseniuro di gallio in un chip di 5 per 6 millimetri; solitamente, su un chip a microonde di queste dimensioni ci sono solo dagli otto ai quaranta transistor.
Giunti alla fine della loro (ormai sempre più breve) vita questi chip potranno anche essere gettati in un prato o in un bosco, dicono i ricercatori del Wisconsin; e non sarà un gesto riprovevole o ecologicamente scorretto: intatti il substato di CNF sarà preda dei funghi che lo degraderanno trasformandolo in un utile fertilizzante.
