Artikkel

Giftig bly i elektronikk kan erstattes av harmløse grunnstoffer

Henrik Sønsteby er forsker ved Kjemisk institutt
Henrik Sønsteby med en silisiumskive som er dekket med en tynn film bestående av natrium, kalium, niob og oksygen. De flotte fargene skyldes interferens på grunn av utilsiktede tykkelsesvariasjoner. Foto: Bjarne Røsjø/UiO. Bruk bildet.

Giftig bly i elektronikk kan erstattes av harmløse grunnstoffer

Tynne filmer av så ufarlige stoffer som kalium og natrium kan erstatte blyholdige materialer i elektroniske produkter, har Henrik Hovde Sønstebys doktorgrad langt på vei vist. Det åpner en dør til helt nye muligheter.
Illustrasjonen viser krystallstrukturen i de nye materialene
Illustrasjonen viser krystallstrukturen i de nye materialene: Oksygenatomer er røde, niobatomer er brune, kalium/natriumioner er lilla. Illustrasjon: Henrik Sønsteby, UiO. Bruk bildet.

De fleste smarttelefoner og andre elektroniske produkter inneholder små mengder bly, og det høres kanskje ikke så farlig ut. Men når det finnes mange milliarder slike produkter, enten i bruk eller på avveier, blir det tilsammen snakk om store mengder bly – som er et giftig tungmetall.

You can also read this article in English

Derfor har miljømyndighetene i blant annet EU/EØS og USA gått inn for å begrense bruken av bly i elektriske og elektroniske produkter (EE-produkter). Produkter som blir godkjent for CE-merking skal ikke inneholde mer enn 0,1 vektprosent bly, ifølge gjeldende regler – men det finnes unntak, spesielt når det ikke finnes alternative materialer.

Langt skritt i giftfri retning

– Det går i praksis ikke an å begrense eller stanse bruken av bly i EE-produkter hvis man ikke har andre materialer som gjør samme nytten uten å være vesentlig dyrere. Derfor har vi ved Kjemisk institutt forsøkt å utvikle nye materialer som kan erstatte de blyholdige materialene, og nå har vi tatt et langt skritt i riktig retning, forteller forsker Henrik Hovde Sønsteby.

Sønsteby har nylig disputert til doktorgraden ved Kjemisk institutt med et arbeid som gikk ut på å lage tynne filmer av et materiale som har mulighet til å erstatte bly i EE-produkter. Materialet inneholder de vanlige grunnstoffene natrium, kalium og oksygen samt metallet niob og har ingen kjente miljøskadelige virkninger.

Betydelige mengder EE-avfall kommer på avveier.
I Norge resirkulerer vi ca. 85 prosent av elektriske og elektroniske produkter, men det er fortsatt betydelige mengder som kommer på avveie. Foto: Colourbox.

– Dette materialet er strengt tatt ikke nytt, men det har vært vanskelig å lage det i en form som kan brukes. Men nå har vi fått det til ved å bruke den teknikken som heter atomlagsavsetting (Atomic Layer Deposition, ALD). Vi kan lage tynne filmer med kalium og natrium som viktige bestanddeler, og det har ingen andre klart før med denne teknikken, forteller han.

Problemet med bly

Bakgrunnen for Sønstebys forskning er at vi skaffer oss stadig flere EE-produkter, både fordi de er billigere enn før, og fordi det stadig utvikles produkter med nye funksjoner. Dette fører til at mengden EE-avfall stadig øker, men vi er tross alt ganske flinke i Norge: Ifølge Miljøstatus blir 85 prosent av EE-avfallet vårt gjenvunnet og brukt til å lage nye produkter.

– Problemene med blyforurensning er mye større i Kina og de andre landene som produserer de elektroniske produktene vi er blitt helt avhengige av, men vi har uansett gode grunner til å finne erstatninger. Problemet med bly er at det blir tatt opp i kroppen og fortrenger andre kjemiske stoffer på en slik måte at viktige biologiske funksjoner forstyrres. Det er barn og gravide kvinner som er mest utsatt, fordi bly blant annet tas lett opp i bein som vokser, forteller Sønsteby.

Bly har mange skadevirkninger

  • Ifølge Verdens helseorganisasjon (WHO) finnes det ingen trygg nedre grense der en kan si at bly i blodet ikke er skadelig.
  • Eksponering for bly er koblet til redusert intelligens, lærevansker og atferdsproblemer som redusert impulskontroll og oppmerksomhet.
  • Sammenhengen mellom blyeksponering og redusert intelligens er veldig sterk og blir i dag betraktet som den mest kritiske effekten av bly.
  • Bly i blodet til gravide krysser barrieren til fosteret, slik at blyeksponeringen kan starte allerede før fødselen. Barn, gravide og kvinner i fruktbar alder utgjør særlig utsatte grupper ved blyeksponering, og selv lave eksponeringer kan gi effekter.

Kilde: Miljødirektoratet

Blyforgiftning kan forårsake en rekke ulike symptomer (se faktaboks), og det har til og med vært hevdet at det var blyforgiftning som forårsaket det gamle Romerrikets fall.

– Det er i alle fall dokumentert at romerne brukte blyforbindelser i vannledningene sine, og blyacetat (også kalt blyeddik og blysukker) ble til og med brukt som søtningsstoff i vinen de drakk. Det kan umulig ha vært sunt, kommenterer Sønsteby.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev(link is external) eller følg oss på Facebook.

Bly i trykkfølsomme materialer

Blyet i EE-produktene finnes blant annet i de trykkfølsomme materialene som er piezoelektriske, det vil si at de består av krystaller som produserer en elektrisk spenning når de blir påført trykk. Derfor er disse materialene mye brukt som trykksensorer. Den omvendte funksjonen er også viktig: Hvis du setter en elektrisk spenning på slike materialer, vil de utvide seg, og dermed har du en bitteliten motor som kan flytte på veldig små ting.

Den mest utstrakte bruken av bly i EE-produktene skjer imidlertid i sendere og mottakere. Der er det først og fremst den keramiske forbindelsen blyzirkonat-titanat, også kalt PZT, som har vist seg vanskelig å erstatte. PZT inneholder ca. 60 vektprosent bly, men nå har altså Sønsteby og kollegene i forskergruppen Nanostrukturer og funksjonelle materialer klart å lage en tynn film med liknende egenskaper helt uten bly, men med natrium, kalium, niob og oksygen isteden.

Prinsippskisse: Slik virker atomlagsavsetting (ALD)
Prinsippskissen viser hvordan ALD-teknikken fungerer, her for deponering av Al2O3. Et molekyl (trimetylaluminium) som "bærer" aluminium føres inn i et reaksjonskammer og metter overflaten. Overflødig trimetylaluminium fjernes fra kammeret, før vann introduseres og reagerer på samme måte. Dette gjentas til ønsket tykkelse er oppnådd. Illustrasjon: Ingrid Vee Bruk bildet.

Den tynne filmen består nærmere bestemt av krystaller, som Henrik Sønsteby klarer å lage ved å legge ett atomlag av gangen på et underlag bestående av silisium. Forskerne ved UiO ligger langt fremme internasjonalt i bruken av ALD-teknikken, og det har vakt oppsikt blant kolleger både fjernt og nært at de klarte å lage disse filmene med natrium og kalium.

– Dermed har vi i prinsippet åpnet en ny dør, slik at det blir mulig å lage nye typer materialer ved hjelp av ALD. Både billigere batteriteknologi, superledere og termoelektriske materialer kan dra nytte av dette. Vi er blitt kontaktet av flere andre forskergrupper som allerede er i ferd med å bygge videre på forskningen vår, forteller Sønsteby. 

Oppskaleringen gjenstår

Henrik H. Sønsteby tilføyer at det er et stykke igjen før de tynne og nyskapende filmene kan brukes i ferdige produkter.

– Nå klarer vi å lage disse filmene i laboratoriet, men det gjenstår å oppskalere produksjonen slik at det går an å fremstille mengder som er store nok til å brukes industrielt. Vi har heller ikke løst problemet med at alle krystallenes piezoelektriske egenskaper må peke i samme retning hvis materialene skal brukes som sensorer eller små motorer. Jeg ser imidlertid ingen grunn at det ikke skal være mulig, sier han.

Kontakt:

Vitenskapelig assistent Henrik Sønsteby, Senter for materialvitenskap og nanoteknologi

Vitenskapelige artikler:

Østreng, Erik; Sønsteby, Henrik H.; Øien, Sigurd; Nilsen, Ola; Fjellvåg, Helmer (2014). Atomic layer deposition of sodium and potassium oxides: evaluation of precursors and deposition of thin films. Dalton Transactions. doi: 10.1039/C4DT01930J

Sønsteby, Henrik H.; Nilsen, Ola & Fjellvåg, Helmer (2016). Atomic layer deposition of (K,Na)(Nb,Ta)O3 thin films. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films.  ISSN 0734-2101. 34(4). doi: 10.1116/1.4953406

Mer informasjon:

Miljøstatus.no: Elektriske og elektroniske produkter
Europalov: Bruk av kadmium og bly i elektrisk og elektronisk utstyr
Forskergruppen Nanostrukturer og funksjonelle materialer (NAFUMA) ved Kjemisk institutt

Interessert i kjemi? Mer fra Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

rakettrute, Andøya Space Center

11 raketter skal avsløre mysteriene i atmosfæren

Fysikkens store mysterier i atmosfæren skal avsløres av UiO-forskere sammen med NASA og det japanske romsenteret JAXA.

Rett før påske dro en delegasjon fra Universitetet i Oslo til Tokyo i Japan for