هل يمكن استخدام النفايات البلاستيكية في صناعة الأجهزة الإلكترونية؟

اكتشف باحثون تفاعلًا كيميائيًا يمكنه تحويل مادة البلاستيك الصلب البوليسترين إلى PEDOT، وهو بوليمر موصل قيم .

يوضح هذا الاختراق، الذي تم تفصيله في مجلة JACS Au ، لعلماء من جامعة ديلاوير، ومختبر أرجون الوطني، كيف يمكن استخدام النفايات البلاستيكية المطورة بشكل فعال في الأجهزة الإلكترونية الوظيفية مثل الخلايا الشمسية الهجينة القائمة على السيليكون والترانزستورات الكهروكيميائية العضوية.

دور مادة PEDOT

بقيادة لور كايزر، الأستاذة المساعدة في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ديلاوير، سعى فريق البحث إلى تصنيع مادة PEDOT من النفايات البلاستيكية .

بدأ التعاون عندما تواصل كايزر مع الكيميائي ديفيد كافان من شركة أرجون في حدث بحثي بجامعة ديلاوير، افترض الخبراء أن مادة PEDOT يمكن إنتاجها عن طريق سلفونات البوليسترين، وهو بلاستيك صناعي شائع موجود في الحاويات ومواد التعبئة والتغليف التي تستخدم لمرة واحدة.

تحقيق التوازن الصحيح

تُستخدم السلفنة، وهي عملية يتم فيها استبدال ذرة الهيدروجين بحمض السلفونيك، في العديد من المنتجات، من الأصباغ إلى الأدوية، ومع ذلك، كان إيجاد التوازن الصحيح في التفاعل ــ فعال ولطيف بما يكفي لتجنب إتلاف سلسلة البوليمر ــ أمرًا بالغ الأهمية.

كما أوضح كايزر “إن هذا الكاشف فعال بما يكفي للحصول على درجات عالية جدًا من الوظائف ولكن دون إفساد سلسلة البوليمر الخاصة بك”.

أشهر من التجربة والخطأ

استخدم الفريق في البداية طريقة لسلفنة الجزيئات الصغيرة، باستخدام حمض 1،3- ثنائي السلفونيك كلوريد إيميدازوليوم ([Dsim]Cl)، ومع ذلك، فإن عملية السلفنة للبوليمرات أكثر تعقيدًا بسبب التحديات في فصل المنتجات الثانوية والحفاظ على سلامة البوليمر.

وقد أدى ذلك إلى أشهر من المحاولات والأخطاء لتحسين الظروف وتقليل التفاعلات الجانبية، كما أشار كيسلي كوتسوكوس، وهو مرشح لنيل درجة الدكتوراه في علم المواد.

وقال كوتسوكوس: “لقد قمنا بفحص مذيبات عضوية مختلفة، ونسب مولية مختلفة من عامل السلفنة، وقمنا بتقييم درجات حرارة وأوقات مختلفة لمعرفة الظروف الأفضل لتحقيق درجات عالية من السلفنة”.

تحويل النفايات البلاستيكية إلى مواد إلكترونية

وفي نهاية المطاف، تمكن الباحثون من تحديد الظروف التي تحقق سلفنة البوليمر العالية مع الحد الأدنى من العيوب والكفاءة العالية باستخدام عامل سلفنة خفيف.

وباستخدام نفايات البوليسترين، تمثل طريقتهم أيضًا طريقة فعّالة لتحويل النفايات البلاستيكية إلى مادة PEDOT وبمجرد إنتاجها، قارن الفريق مادة PEDOT المشتقة من النفايات بالإصدارات المتوفرة تجاريًا.

وقال المؤلف الرئيسي تشون يوان لو، مرشح الدكتوراه في الكيمياء في جامعة ديلاوير: “كان أداء كلا النوعين من البوليمرات الموصلة قابلاً للمقارنة، ويظهر أن طريقتنا هي نهج صديق للبيئة للغاية لتحويل نفايات البوليسترين إلى مواد إلكترونية عالية القيمة”.

وشملت التحليلات المحددة التي أجريت في جامعة ديلاوير مطيافية الفوتون الإلكتروني بالأشعة السينية (XPS)، وتحليل سمك الفيلم، وتقييم الخلايا الشمسية، في حين قدمت معدات التحليل الطيفي المتقدمة في شركة أرجون توصيفًا تفصيليًا للبوليمر.

صناعة المواد الالكترونية من القمامة

كان الاكتشاف غير المتوقع هو القدرة على استخدام نسب متكافئة أثناء التفاعل، مما يقلل من توليد النفايات.

وشرح كوتسوكوس قائلاً: “عادةً ما يتطلب سلفنة البوليسترين استخدام كمية زائدة من الكواشف القاسية للغاية، وهنا، يعني استخدام نسبة متكافئة أننا نستطيع تقليل كمية النفايات الناتجة”.

يخطط فريق البحث لمزيد من استكشاف هذا الاكتشاف لضبط درجة السلفنة، مما يؤثر على الخصائص الكهربائية لـ PEDOT ويهدفون إلى تطبيق هذه القدرة على تطبيقات أخرى، مثل خلايا الوقود أو أجهزة تنقية المياه.

وقال كايزر: “بالنسبة لمجتمع الأجهزة الإلكترونية، فإن أهم ما يمكن تعلمه هو أنه يمكنك صنع مواد إلكترونية من القمامة، وهي تعمل بنفس جودة ما تشتريه تجاريًا” ، “بالنسبة لعلماء البوليمرات الأكثر تقليدية، فإن حقيقة أنه يمكنك التحكم في درجة السلفنة بكفاءة ودقة عالية ستكون موضع اهتمام العديد من المجتمعات والتطبيقات المختلفة.”

جهود الاستدامة العالمية

ويرى الباحثون أيضًا إمكانية كبيرة للمساهمة في جهود الاستدامة العالمية من خلال تحويل النفايات إلى مواد ذات قيمة.
وقال لو: “يعمل العديد من العلماء والباحثين بجد على جهود إعادة التدوير والتحسين، إما بالوسائل الكيميائية أو الميكانيكية، وتوفر دراستنا مثالاً آخر لكيفية معالجة هذا التحدي”.

وبالتالي، فإن الدراسة لا توضح فقط طريقة مبتكرة لإعادة تدوير البوليسترين إلى بوليمرات موصلة عالية القيمة، ولكنها تسلط الضوء أيضًا على إمكانية استخدام مواد النفايات البلاستيكية هذه في الأجهزة الإلكترونية الوظيفية.

تحويل النفايات البلاستيكية إلى إلكترونيات

يسلط هذا البحث الضوء على الفوائد البيئية والتطبيقات العملية لتحويل النفايات البلاستيكية إلى موارد قيمة.

وأشار الباحثون إلى أنه “تم تحويل مجموعة واسعة من البلاستيك العطري إلى سلفونات بكفاءة، بما في ذلك البوليسترين الموسع، الذي تم الحصول عليه من عبوات النفايات البلاستيكية.

وقد استخدمنا هذا النهج لترقية النفايات البلاستيكية إلى بوليمر موصل يحتوي على ثلثي النفايات البلاستيكية من حيث الكتلة”.

“لقد أثبتت هذه المادة كفاءتها في الترانزستورات الكهروكيميائية العضوية والخلايا الشمسية الهجينة القائمة على السيليكون، مما يسلط الضوء على إمكانات نهج السلفنة هذا للوصول إلى إلكترونيات عالية الجودة من البلاستيك المهمل.”

ويعتقد الباحثون، أن تقنيتهم المبتكرة سوف تحفز الاهتمام بتطوير النهج المستدامة للمواد الإلكترونية من خلال ترقية البلاستيك إلى الإلكترونيات.