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可降解的柔性电子材料,有望减少全球电子垃圾

时间: 2017年06月20日 | 作者: SARAH DEROUIN | 来源: 斯坦佛大学
斯坦福大学鲍哲南团队开发出了一种新型半导体器件,与皮肤一样柔软且易降解。

 

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从智能手机到穿戴式传感器,随着电子产品越来越普遍地深入每个人的生活,由此产生的电子废弃物的数量也越来越多。联合国环境规划署的一份报告显示,2017年的电子废弃物近5000万吨,比2015年高出20%以上。

 

受到这些不断增加的电子废弃物的困扰,斯坦福大学工程师鲍哲南(Zhenan Bao)和她的团队进行了反思。“在我的团队中,我们一直在努力模仿人类皮肤的功能,思考如何开发未来的电子设备,” 鲍哲南说。她介绍了皮肤是如何能够灵活伸展、自我修复与生物降解的,而这几点正是电子器件所需的、具有吸引力的特征。“我们已经实现了前两个(灵活伸展和自我修复),因此生物降解性是我们想要解决的。”

 

该团队创造了一种柔性的电子元件,只需要添加弱酸,比如醋酸,就会轻松降解。相关成果于5月1日在美国国家科学院院刊(PNAS)上发表。

 

“这是可分解半导体聚合物的首例。”与鲍哲南一起工作的博士后研究员 Ting Lei 说。

 

除了聚合物(本质上即柔性的导电塑料),该团队还开发了一种可降解的电子电路和一种新型的可生物降解的衬底材料用于装配电子元件。该衬底能够支撑电子元件,可弯曲变形,在粗糙或光滑的表面均可成型。当不再需要该电子器件时,整个器件可被生物降解成无毒组分。

 

可生物降解的电子元件

 

鲍哲南是斯坦福大学化学工程和材料科学与工程系的教授,曾经开发了一种以人体皮肤为模型的可拉伸电极。该电极可以按某种方式弯曲和扭转,从而能够与皮肤或大脑相连接,但是无法降解。这限制了该元件在植入式设备中的应用,并且会制造电子废弃物,而鲍哲南也一直非常在意这一点。

 

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柔性电子材料灵活地贴合在人脑模型表面。(图片来源:论文原文)

 

“考虑传统的聚合物化学,想创造出一种强大的材料,既是良好的导体又可生物降解是一个挑战。我们一直在努力思考如何同时实现良好的电子性能和生物降解性。” 鲍哲南说。

 

最终,该团队发现,可通过调整柔性材料的化学结构,使其在温和的压力条件下分解。鲍哲南说:“我们提出了一个设想,使这些分子通过特殊类型的化学键连接,从而既保持其沿分子链方向传输电子的能力,同时这种化学键还对弱酸(甚至比醋酸更弱的酸)敏感。”该想法最终得以实现,并获得了这种可以传输电子信号同时不需要极端处理就可以降解的材料。

 

除了可生物降解的聚合物之外,该团队还开发了一种新型的电子元件和用于连接全部电子元件的衬底材料。电子元件通常由金制成。但是在这种器件中,研究人员由铁制件。鲍哲南指出,铁是一种环境友好的材料,对人类无毒。

 

研究人员使用纤维素制造出了用于支撑电子电路和聚合物的衬底。纤维素也是构成纸的物质。但与通常纸张中的纤维素不同,该团队对纤维素纤维进行了改性,因此这种“纸”透明并且柔软,同时仍易于分解。这种薄膜衬底使电子器件能够穿戴在皮肤上,甚至植入人体内部。

 

从移植到种植

 

可生物降解的导电聚合物和衬底的结合使得电子设备能够在更多装置中发挥作用,从可穿戴电子设备到用作大规模环境调查的微型传感器。

 

“我们设想,这些柔软的贴片非常薄,可以贴合皮肤,从而能够对血压、葡萄糖值、汗液含量等进行检测。”鲍哲南说。一个人可以穿戴某种专门设计的贴片一天或一周,然后下载检测数据。据鲍哲南表示,这种短期使用的一次性电子产品似乎非常符合可降解的柔性器件的设计要求。

 

而且这种器件不仅仅可以用于皮肤表面的检测:可生物降解的衬底、聚合物和铁电极的结合使整个器件具有生物相容性,可植入人体。聚合物分解后的产物浓度远低于已发布的饮用水中可接受的水平。然而鲍哲南表示,虽然这种聚合物是生物相容的,在作为常规性植入物使用之前,仍需要进行更多的研究。

 

可生物降解电子器件的可能的应用范围将远远超出收集心脏病数据和葡萄糖数据。这些器件可大面积覆盖偏远地区用于调查。Lei 描述了一种研究方案,由飞机在森林上方投放可生物降解的电子设备以对景观进行调查。“这是一个非常大的区域,使用人力布置传感器是非常困难的”他说,“而且,即便布满了传感器,也很难把它们收回。既然不希望污染环境,我们就需要使用一些可以分解的东西。”这样,这些传感器将被生物降解,而不是成为森林里的塑料垃圾。

 

随着电子产品数量的增加,生物降解性将变得更加重要。Lei对他们的研究成果兴奋不已,并希望不断提高生物可降解电子产品的性能。“我们目前拥有大量电脑和手机并在不断生产数以亿万计的手机,它们都很难分解,”他说,“我们希望能够开发一些可分解的材料,以减少废弃物。”

 

撰文 SARAH DEROUIN

翻译 陆妍婷

审校 LYW  紫苏


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