Leaftronic: Zellulosestrukturen wie in Blättern verstärken die biologisch abbaubaren Polymerfilme. (Bild: Kai Schmidt)
Elektronische Geräte bestehen aus Schaltkreisen und für die Herstellung dieser Schaltkreise kommen bestimmte Substrate zum Einsatz. In der kommerziellen Elektronik sind das Leiterplatten (printed circuit boards, PCB), die aus glasfaserverstärktem Epoxidharz aufgebaut sind. Diese Materialien sind größtenteils nicht recyclefähig, geschweige denn biologisch abbaubar. Angesichts der schieren Menge an Elektronikabfällen von mehr als 60 Millionen Tonnen pro Jahr (von denen über 75 % weltweit nicht erfasst werden) besteht ein dringender Bedarf an nachhaltigen Alternativen.
Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung biologisch abbaubarer natürlicher Polymere als Werkstoffe, die sich jedoch aufgrund von Problemen mit der Hitzestabilität und der Beständigkeit gegenüber Chemikalien als nicht geeignet herausgestellt haben. Der Konflikt zwischen biologischer Abbaubarkeit, die lose gebundene Moleküle erfordert, und thermischer oder chemischer Stabilität, die fest gebundene Moleküle voraussetzt, war lange Zeit eine große Herausforderung.
Nun hat ein Forschungsteam am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden unter der Leitung von Prof. Karl Leo Leaftronics entwickelt – einen Ansatz, der die natürliche Struktur von Blättern nutzt, um biologisch abbaubare elektronische Substrate mit verbesserten Eigenschaften herzustellen. Die Ergebnisse versprechen eine nachhaltige, effiziente und skalierbare Lösung für das globale Elektroschrottproblem.
Quasi-Fraktale aus Blättern
Der Durchbruch beruht auf der Entdeckung, dass quasifraktale Lignozellulosestrukturen in natürlichen Blättern, die als Gerüst für die lebenden Zellen eines Blattes dienen, zum Verstärken biologisch abbaubarer, nassprozessierter Polymerfilme dienen können. Denn diese Gerüste unterstützen nicht nur lebende Zellen in der Natur, sondern können auch lösungsfähige Polymere zusammenhalten, sogar bei relativ hohen Temperaturen, bei denen diese Polymere normalerweise anfangen zu fließen. Die eingebettete, natürliche quasi fraktale Struktur scheint Polymerfilme thermomechanisch zu stabilisieren, ohne ihre biologische Abbaubarkeit zu beeinträchtigen.
Die Forschenden haben gezeigt, dass diese mit Lignozellulose verstärkten Polymerfolien dem Herstellungsprozess für gelötete Schaltkreise standhalten und moderne Dünnschichtgeräte wie organische Leuchtdioden (OLEDs) unterstützen können. Die Glätte der Folien, eine wichtige Voraussetzung für die Abscheidung ultradünner Materialschichten, öffnet die Tür für die Herstellung von Hochleistungs-Dünnschichtelektronik auf diesen Substraten.
