Entwicklung von Rekorder Suprapartikeln zur Überwachung destruktiver Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse auf (Mikro-)Elektronikbauteile zur Reduktion von Elektroschrott 

Stipendiatin/Stipendiat: Jakob Reichstein

Elektroschrott ist weltweit der am schnellsten wachsende Abfallstrom. Diese Entwicklung ist besonders kritisch zu betrachten, da der Großteil der entsorgten Elektronikgeräte derzeit verbrannt, deponiert oder in Entwicklungsländer verschifft wird, obwohl sie eine Vielzahl an seltenen und toxischen Substanzen enthalten. Die Folgen davon sind aufgrund der giftigen Substanzen eine kritische Belastung von Menschen und Ökosystemen sowie die Dissipation wertvoller, begrenzter Elemente und damit die Verschärfung der bereits jetzt kritischen Rohstoffsituation auf unserer Erde.

 

Eine mögliche Strategie um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, ist die Erhöhung der Sammelquoten entsorgter Geräte und die Rückgewinnung seltener Rohstoffe über Recyclingverfahren. Allerdings sind diese Verfahren derzeit noch zu ineffizient und müssen weiter optimiert werden. Selbst bei einer verbesserten Rohstoffrückgewinnung ist die Aufbereitung der Materialien für die Produktion neuer Geräte jedoch mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Für einen optimalen Schutz der endlichen Ressourcen unserer Erde und wichtiger Ökosysteme muss daher vor allem die Entstehung von Elektroschrott verhindert werden.

 

Eine der Hauptursachen für die Entsorgung von Elektronikgeräten sind technische Defekte lediglich kleinster Komponenten wie Kondensatoren, bedingt durch erhöhte Temperaturen und Feuchtigkeit. Allerdings ist aufgrund des immer komplexeren Aufbaus der Geräte der Ursprung eines solchen Defekts kaum vorhersehbar, seine Lokalisierung zeitintensiv und damit eine Reparatur ökonomisch meist nicht sinnvoll.

 

Intelligente Materialien, die Defekte kleinster Elektronikbauteile aufzeichnen und mit einem optischen Signal sichtbar machen, könnten hierbei zu einem fundamentalen Umdenken führen. Diese optischen „Rekorder“ können technische Defekte genau lokalisieren, um ressourceneffiziente Reparaturvorgänge durch den Austausch kleinster Bauteile wieder wirtschaftlich zu machen. Damit können sie maßgeblich dazu beitragen, die Entsorgung von größtenteils funktionsfähigen Elektronikgeräten zu reduzieren.

 

Ein derartiges Funktionsmaterial wurde bisher noch nicht etabliert und soll daher im Rahmen der vorgestellten Promotion „Rekorder Suprapartikel zur Überwachung destruktiver Umwelteinflüsse“ entwickelt und hergestellt werden. Die Funktionalität der anvisierten Rekorder entsteht durch die Kombination verschiedener lumineszierender Nanobausteine mit einem jeweils einzigartigen optischen Signal und ihre definierte Assemblierung zu einem Mikropartikel, einem sogenannten Suprapartikel. Einige dieser Bausteine reagieren auf die Einwirkung erhöhter Temperaturen oder Feuchtigkeit mit einer irreversiblen Veränderung ihres optischen Signals. Damit halten sie diesen destruktiven Einfluss fest und zeichnen ihn für eine spätere Analyse, z.B. während einer Reparatur, auf. Andere Komponenten reagieren hingegen nicht und dienen mit ihrem unveränderten Signal als Referenz, um die Informationen des Rekorders quantitativ zu detektieren. Durch die Auswahl der eingesetzten Komponenten kann die Zusammensetzung dieses Suprapartikels nach dem Baukastenprinzip variiert werden, um seinen Arbeitsbereich gezielt auf die Grenzwerte unterschiedlicher Bauteile anzupassen. Aufgrund ihrer geringen Dimension im Bereich weniger Mikrometer sollen die Suprapartikel in nahezu jegliche (Mikro-)Elektronikbauteile integriert werden können. Das Auslesen ihrer Information soll quantitativ mit einem kommerziellen Fluoreszenzspektrometer erfolgen, qualitativ jedoch bereits mit bloßem Auge möglich sein.

Förderzeitraum:
01.07.2020 - 30.06.2023

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URL: www.chemistry.nat.fau.eu/mandel-group