Minder elektronisch afval door sensor van zetmeel

Zachte, op het lichaam draagbare sensoren kunnen ons leven verbeteren. Maar dit soort elastische elektronica is heel slecht te recyclen. Daarom eindigt het doorgaans op de stort, waar giftige stoffen eruit kunnen lekken. Polymeerwetenschappers van de RUG hebben een kunststof ontwikkeld die gemaakt is uit zetmeel, waarmee biologisch afbreekbare sensoren zijn te maken. Een artikel over dit nieuwe materiaal verscheen op 13 december in het tijdschrift ACS Applied Materials & Interfaces.

Zachte, elastische polymeren zitten in allerlei soorten elektronica. Ze zorgen bijvoorbeeld voor het contact van een smartwatch met de huid, sensoren in schoenen of kleding zijn er doorgaans van gemaakt en ze zitten in het scherm van je smartphone. ‘Deze zachte materialen bestaan meestal uit een complex mengsel van polymeren, die lastig van elkaar te scheiden zijn. Daarom eindigen ze op de vuilnishoop, vaak met de giftige metalen onderdelen er nog in. Dit soort elektronisch afval is een groeiend probleem’, vertelt Xiaohong Lan, de eerste auteur van het artikel en postdoc in de onderzoeksgroep Polymeerwetenschappen van RUG-hoogleraar Katja Loos.

Ruggengraat

Lan, Loos en hun collega’s hebben een alternatief ontwikkeld voor die complexe polymeren: een biologisch afbreekbaar materiaal dat in een paar weken tot maanden volledige uiteen valt. ‘Er zijn eenvoudige manieren om metalen en polymeren uit elektronisch afval te halen’, zegt Lan. ‘Je kunt natuurlijk proberen alle zachte polymeren te recyclen, maar dat is meestal te ingewikkeld en daarom te duur.’ Het nieuwe materiaal breekt volledig af tot water en kooldioxide.

‘Om zo’n biologisch afbreekbaar polymeer te maken begonnen we met een ruggengraat van dextrine koolwaterstoffen die uit zetmeel komen’, legt Lan uit. ‘Bij de meeste polymeren bevat de ruggengraat chemische bindingen die erg sterk zijn. Maar dextrines zijn afbreekbaar door natuurlijke enzymen in de bodem.’ Vervolgens zijn lange vetzuurstaarten aan de dextrines gezet, met het aantal vetzuurstaarten is te regelen hoe waterafstotend het polymeer is. ‘De enzymen die het afbreken hebben daarbij water nodig, dus als het materiaal te zeer waterafstotend is kunnen die hun werk niet doen. Maar als het teveel water aantrekt zijn de eigenschappen van het materiaal niet goed.’

Borstels

Het materiaal moet zacht en elastisch zijn maar ook diëlektrisch, wat betekent dat de sensoren zichzelf kunnen opladen met de elektriciteit die ontstaat door wrijving met de kleding. Naast de vetzuurstaart zijn er ook lacton monomeren op het dextrine polymeer geplakt in een borstelvormig patroon. Die borstels maken het materiaal elastisch. Het resultaat is ‘Advanced Scalable Supersoft Elastic Transparent material’ (ASSETm, Geavanceerd Schaalbaar Superzacht Elastisch Transparant materiaal), een materiaal met alle benodigde eigenschappen voor draagbare elektronica. Proeven lieten zien dat het geschikt is voor het maken van sensoren. ‘We vergeleken onze sensoren met de beste commercieel verkrijgbare sensoren, en die van ons bleken ten minste net zo goed te werken’, zegt Lan.

De productie is goed op te schalen, dus kan dit biologisch afbreekbare ASSETm de traditionele polymeren voor slimme elektronica prima vervangen. Lan: ‘We moeten dan wel onze houding ten opzichte van zetmeel aanpassen. Dat zien we nu doorgaans als voedingsmiddel.’ Op dit moment gaat ongeveer 60 procent van alle zetmeel naar diervoeding, 30 procent naar voedsel voor mensen, en 10 procent is voor medisch gebruik. ‘Maar de consumptie van zetmeel neemt af, en ook de veestapel krimpt.’

Discussie

Katja Loos, hoofd van de onderzoeksgroep, is enthousiast over het nieuwe materiaal. ‘We hopen dat onze publicatie een discussie op gang brengt over het terugdringen van elektronisch afval. Deze afbreekbare polymeer kan helpen om die afvalberg te verkleinen.’

Referentie: Xiaohong Lan, Wenjian Li, Chongnan Ye, Laura Boetje, Théophile Pelras, Fitrilia Silvianti, Qi Chen, Yutao Pei, and Katja Loos: Scalable and Degradable Dextrin-Based Elastomers for Wearable Touch Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces, 13 December 2022