Trong vòng ba thập kỷ qua, sự bùng nổ của công nghệ số đã thay đổi toàn bộ diện mạo xã hội loài người. Từ chiếc điện thoại thông minh trong túi quần, máy tính xách tay trong cặp, đến TV thông minh, tủ lạnh, máy giặt kết nối Internet, mọi thiết bị dường như đều gắn liền với bảng mạch điện tử. Nhưng cũng chính từ đó, một cuộc khủng hoảng âm thầm và nguy hiểm bậc nhất đang diễn ra: rác thải điện tử (e-waste).

Theo báo cáo năm 2024 của Liên Hợp Quốc, mỗi năm thế giới thải ra hơn 62 triệu tấn rác điện tử, tăng gấp đôi chỉ trong vòng 15 năm. Con số này khổng lồ đến mức nếu xếp chồng, nó có thể dựng nên những dãy “núi công nghệ” cao hơn cả Everest. Tuy nhiên, điều đáng báo động hơn cả là chỉ chưa đến 25% lượng rác này được thu hồi, xử lý theo quy trình tái chế chính thức.

Phần còn lại hoặc bị chôn lấp, hoặc bị đốt, hoặc “chảy” sang các nước đang phát triển – nơi hàng triệu lao động nghèo phải trực tiếp tiếp xúc với chì, thủy ngân, cadmium, brom… để tách lấy kim loại. Đây là nguyên nhân khiến nhiều cộng đồng phải đối mặt với ô nhiễm đất, nước, không khí và các bệnh nguy hiểm.

Trong số các thành phần khó xử lý nhất, bảng mạch in (PCB – Printed Circuit Board) chiếm vị trí trung tâm. PCB là nền tảng của mọi thiết bị điện tử, từ chiếc đồng hồ đeo tay cho đến siêu máy tính. Chúng được cấu tạo từ sợi thủy tinh, nhựa epoxy và các lớp đồng mỏng – những vật liệu cực kỳ bền, chịu nhiệt và khó phân hủy. Điều đó khiến PCB gần như không thể tái chế hiệu quả bằng các phương pháp truyền thống. Đây cũng chính là “nút thắt” lớn nhất trong hành trình giải quyết rác thải điện tử.

Tìm lời giải từ phòng thí nghiệm

Trước thách thức toàn cầu này, một nhóm nhà khoa học liên ngành đến từ Đại học Maryland, Viện Công nghệ Georgia và Đại học Notre Dame (Mỹ) đã mang đến một đột phá: DissolvPCB – loại bo mạch in 3D có thể hòa tan trong nước.

Công nghệ này mang tính cách mạng bởi nó thay đổi hoàn toàn cấu trúc cơ bản của PCB. Thay vì sử dụng sợi thủy tinh và nhựa epoxy truyền thống, nhóm nghiên cứu đã chọn polyvinyl alcohol (PVA) – loại nhựa phân hủy sinh học vốn được sử dụng trong ngành bao bì, y tế. PVA có đặc tính đặc biệt: tan hoàn toàn trong nước mà không để lại cặn độc hại.

Để thay thế lớp đồng dẫn điện, nhóm lựa chọn hợp kim gali–indi ở dạng kim loại lỏng. Đây là hợp kim dẫn điện tốt, có khả năng in bằng công nghệ 3D, đồng thời dễ dàng thu hồi khi tái chế.

Khi DissolvPCB được nhúng vào nước, lớp nền PVA nhanh chóng hòa tan, trong khi các linh kiện và hợp kim dẫn điện tách ra riêng biệt. Toàn bộ quá trình diễn ra đơn giản, an toàn và hiệu quả, mở ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới cho vấn đề tái chế điện tử.

Những con số ấn tượng

Trong thử nghiệm thực tế, DissolvPCB cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội:

Tan hoàn toàn sau 36 giờ ở nhiệt độ phòng hoặc chỉ trong vòng chưa tới một giờ nếu gia nhiệt.

Thu hồi được khoảng 98% vật liệu, bao gồm linh kiện và hợp kim kim loại.

Giảm đáng kể khí thải nhà kính, tiêu thụ năng lượng và độc tính so với các phương pháp xử lý PCB hiện hành.

Nói cách khác, DissolvPCB vừa là một giải pháp công nghệ xanh, vừa là một hệ sinh thái tái chế tại chỗ. Không cần đến các nhà máy tái chế khổng lồ, ngay cả một phòng thí nghiệm nhỏ hay doanh nghiệp khởi nghiệp cũng có thể tự xử lý bo mạch đã qua sử dụng.

Ưu điểm nổi bật

Thân thiện với môi trường: Khác với quá trình đốt hoặc xử lý bằng dung môi hóa học vốn thải ra nhiều chất độc, DissolvPCB chỉ cần nước để phân rã. PVA tan thành dung dịch an toàn, dễ xử lý.

Hiệu quả tái chế cao: Tỉ lệ thu hồi vật liệu đạt tới 98%, đồng nghĩa với việc giảm nhu cầu khai thác tài nguyên kim loại quý hiếm như đồng, bạc, indi – vốn đang ngày càng khan hiếm.

Tái chế phân tán: DissolvPCB cho phép thực hiện mô hình tái chế phi tập trung (decentralized recycling). Thay vì phải vận chuyển rác thải đến một vài trung tâm xử lý tập trung, các phòng lab, trường học, xưởng nhỏ cũng có thể tự xử lý.

Dễ tiếp cận: Quy trình sản xuất DissolvPCB chỉ cần máy in 3D phổ biến cùng vật liệu sẵn có. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã cung cấp phần mềm mã nguồn mở, giúp cộng đồng toàn cầu dễ dàng tham gia cải tiến, chia sẻ thiết kế.

Ứng dụng sáng tạo: Với đặc tính linh hoạt, DissolvPCB có thể in trên bề mặt cong hoặc tạo hình nghệ thuật. Các nguyên mẫu như loa Bluetooth và khối lập phương LED đã chứng minh khả năng tái chế hoàn toàn mà vẫn hoạt động ổn định.

Những hạn chế còn tồn tại: Dù đầy triển vọng, công nghệ này chưa thể thay thế PCB truyền thống ở quy mô công nghiệp lớn. Một số rào cản hiện tại gồm:

- Kích thước cồng kềnh: chưa đạt được độ mỏng, gọn để ứng dụng trong smartphone hay laptop.

- Nhạy cảm với ẩm: dễ bị ảnh hưởng khi môi trường ẩm ướt.

- Hiệu suất dẫn điện hạn chế: hợp kim gali–indi tuy tốt nhưng chưa sánh được với đồng trong mạch công suất cao.

- Bài toán chi phí: cần tối ưu để phù hợp với sản xuất hàng loạt.

So sánh với các phương pháp khác

Để xử lý PCB, nhiều hướng tiếp cận từng được thử nghiệm:

Dung môi hóa học: tách kim loại nhưng gây độc hại thứ cấp.

Nhiệt phân (pyrolysis): đốt ở nhiệt độ cao để thu hồi kim loại, song tiêu hao năng lượng và phát thải khí độc.

Vật liệu sinh học: thử nghiệm dùng sợi cellulose, lanh, nhưng hiệu suất chưa đủ.

Trong bối cảnh đó, DissolvPCB nổi bật bởi quy trình đơn giản, sạch, tiết kiệm năng lượng và dễ áp dụng hơn nhiều.

Ý nghĩa kinh tế – xã hội

Việc thương mại hóa DissolvPCB có thể mang đến những tác động sâu rộng:

Thúc đẩy kinh tế tuần hoàn: biến rác thải thành tài nguyên, giảm áp lực khai thác tài nguyên thiên nhiên.

Bảo vệ sức khỏe cộng đồng: hạn chế tình trạng lao động ở các nước nghèo phải tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại.

Khuyến khích khởi nghiệp xanh: mở ra lĩnh vực “điện tử bền vững”, nơi các startup có thể phát triển mô hình sản xuất – tái chế khép kín.

Giáo dục – đào tạo: tạo công cụ thực hành cho sinh viên ngành điện tử, cơ khí mà không gây ra rác thải lâu dài.

Triển vọng tương lai

Trong tương lai, DissolvPCB có thể được mở rộng theo các hướng:

Ứng dụng trong IoT và thiết bị gia dụng: nơi yêu cầu độ bền vừa phải.

Kết hợp với pin tái chế: tạo ra sản phẩm điện tử dễ thu hồi toàn bộ.

Trở thành tiêu chuẩn thiết kế xanh: thay đổi cách ngành công nghiệp nhìn nhận vòng đời sản phẩm – từ “dùng rồi bỏ” sang “dùng rồi tái sinh”.

Một số chuyên gia nhận định, nếu công nghệ này được thương mại hóa, nó sẽ tạo nên cách mạng thiết kế điện tử, thúc đẩy các tập đoàn lớn như Apple, Samsung, Dell… phải xem xét tích hợp vào sản phẩm tương lai.

Công nghệ DissolvPCB là minh chứng cho việc khoa học không chỉ tạo ra tiện ích mới, mà còn tìm lời giải cho chính những hệ lụy mà nó gây ra. Trong bối cảnh khủng hoảng rác thải điện tử, sự ra đời của bo mạch in 3D hòa tan trong nước giống như “cánh cửa” mở ra kỷ nguyên công nghệ xanh – nơi thiết bị sau khi hết vòng đời có thể tan biến trong nước, để lại những linh kiện quý giá cho hành trình tái sinh.

Dù còn hạn chế, DissolvPCB đã cho thấy hướng đi đầy hứa hẹn: xây dựng một ngành điện tử bền vững, tuần hoàn, trách nhiệm. Và biết đâu, trong tương lai gần, chiếc điện thoại bạn đang cầm cũng có thể “biến mất” sau khi ngâm vào nước – thay vì nằm lại hàng trăm năm ngoài bãi rác.

Nguồn: CESTI