Un informe reciente de las Naciones Unidas encontró que el mundo generó 137 mil millones de libras de desechos electrónicos en 2022, un aumento del 82% con respecto a 2010. Sin embargo, menos de una cuarta parte de los desechos electrónicos de 2022 se reciclaron. Si bien muchas cosas impiden una vida futura sostenible para la electrónica, una es que no tenemos sistemas a escala para reciclar las placas de circuito impreso (PCB) que se encuentran en casi todos los dispositivos electrónicos.
Los PCB, que albergan e interconectan chips, transistores y otros componentes, normalmente consisten en capas de finas láminas de fibra de vidrio recubiertas de plástico duro y laminadas con cobre. Ese plástico no se puede separar fácilmente del vidrio, por lo que los PCB a menudo se acumulan en los vertederos, donde sus sustancias químicas pueden filtrarse al medio ambiente. O los queman para extraer los metales valiosos de sus componentes electrónicos, como el oro y el cobre. Esta quema, que a menudo se lleva a cabo en países en desarrollo, es un desperdicio y puede ser tóxica, especialmente para quienes realizan el trabajo sin la protección adecuada.
Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Washington desarrolló un nuevo PCB que funciona a la par de los materiales tradicionales y puede reciclarse repetidamente con una pérdida de material insignificante. Los investigadores utilizaron un disolvente que transforma un tipo de vitrimero (una clase de polímeros sostenibles de última generación) en una sustancia gelatinosa sin dañarla, lo que permite extraer los componentes sólidos para su reutilización o reciclaje.
La gelatina vitrimer se puede utilizar repetidamente para fabricar PCB nuevos y de alta calidad, a diferencia de los plásticos convencionales que se degradan significativamente con cada reciclaje. Con estas «vPCB» (placas de circuito impreso de vitrimero), los investigadores recuperaron el 98% del vitrimero y el 100% de la fibra de vidrio, así como el 91% del disolvente utilizado para el reciclaje.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 26 de abril en Sostenibilidad de la Naturaleza.
«Los PCB constituyen una fracción bastante grande de la masa y el volumen de los desechos electrónicos», dijo el coautor principal Vikram Iyer, profesor asistente de la Universidad de Washington en la Escuela Paul G. Allen de Ciencias de la Computación e Ingeniería. «Están construidos para ser resistentes al fuego y a los productos químicos, lo cual es excelente porque los hace muy robustos. Pero eso también los hace básicamente imposibles de reciclar. Aquí, creamos una nueva formulación de material que tiene propiedades eléctricas comparables a las convencionales. PCB, así como un proceso para reciclarlos repetidamente».
Los vitrimeros son una clase de polímeros desarrollados por primera vez en 2015. Cuando se exponen a ciertas condiciones, como calor por encima de una temperatura específica, sus moléculas pueden reorganizarse y formar nuevos enlaces. Esto los hace «curables» (por ejemplo, una PCB doblada podría enderezarse) y altamente reciclables.
«A nivel molecular, los polímeros son como espaguetis, que se envuelven y se compactan», dijo el coautor principal Aniruddh Vashisth, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Washington. «Pero los vitrimeros son distintos porque las moléculas que componen cada fideo pueden desligarse y volverse a vincular. Es casi como si cada trozo de espagueti estuviera hecho de pequeños Legos».
El proceso del equipo para crear el vPCB se desvió sólo ligeramente de los utilizados para los PCB. Convencionalmente, las capas de PCB semicuradas se mantienen en condiciones frescas y secas donde tienen una vida útil limitada antes de ser laminadas en una prensa térmica. Como los vitrimeros pueden formar nuevos enlaces, los investigadores laminaron capas de vPCB completamente curadas. Los investigadores descubrieron que para reciclar los vPCB podían sumergir el material en un disolvente orgánico que tuviera un punto de ebullición relativamente bajo. Esto hinchó el plástico del vPCB sin dañar las láminas de vidrio ni los componentes electrónicos, lo que permitió a los investigadores extraerlos para su reutilización.
Este proceso permite varios caminos hacia ciclos de vida de PCB circulares y más sostenibles. En algunos casos, las placas de circuito dañadas, como aquellas con grietas o deformaciones, se pueden reparar. Si no se reparan, se pueden separar de sus componentes electrónicos. Luego, esos componentes se pueden reciclar o reutilizar, mientras que el vitrimero y las fibras de vidrio se pueden reciclar en nuevos vPCB.
El equipo probó la resistencia y las propiedades eléctricas de su vPCB y descubrió que su rendimiento era comparable al del material de PCB más común (FR-4). Vashisth y el coautor Bichlien H. Nguyen, investigador principal de Microsoft Research y profesor asistente afiliado en la Escuela Allen, ahora están utilizando inteligencia artificial para explorar nuevas formulaciones de vitrimero para diferentes usos.
La producción de vPCB no implicaría cambios importantes en los procesos de fabricación.
«Lo bueno es que muchas industrias, como la aeroespacial, la automotriz e incluso la electrónica, ya tienen configurado el procesamiento para los tipos de epoxis de dos componentes que usamos aquí», dijo el autor principal Zhihan Zhang, doctorando de la Universidad de Washington. Estudiante de la Escuela Allen.
El equipo analizó el impacto ambiental y descubrió que los vPCB reciclados podrían implicar una reducción del 48 % en el potencial de calentamiento global y una reducción del 81 % en las emisiones cancerígenas en comparación con los PCB tradicionales. Si bien este trabajo presenta una solución tecnológica, el equipo señala que un obstáculo importante para el reciclaje de vPCB a escala sería la creación de sistemas e incentivos para recolectar desechos electrónicos para que puedan reciclarse.
«Para una implementación real de estos sistemas, es necesario que haya paridad de costos y regulaciones gubernamentales estrictas», dijo Nguyen. «En el futuro, necesitamos diseñar y optimizar materiales con métricas de sostenibilidad como primer principio».
Otros coautores incluyen a Agni K. Biswal, becario postdoctoral de la Universidad de Washington en el departamento de ingeniería mecánica; Ankush Nandi, estudiante de doctorado de la Universidad de Washington en el departamento de ingeniería mecánica; Kali Frost, científica aplicada senior de Microsoft Research; Jake A. Smith, investigador principal de Microsoft Research e investigador afiliado de la Escuela Allen; y Shwetak Patel, profesor de la Universidad de Washington en la Escuela Allen y en el departamento de ingeniería eléctrica e informática. Esta investigación está financiada por la Iniciativa de Investigación Climática de Microsoft, un Premio de Investigación de Amazon y el Programa Académico de Investigación de Google. Zhang contó con el apoyo de la beca de posgrado del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington.
