研究人員開發(fā)新一波電子產(chǎn)品

隨著電子產(chǎn)品在我們的生活中越來越普遍 - 從智能手機(jī)到可穿戴傳感器 - 他們創(chuàng)造的電子垃圾數(shù)量不斷增加。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，2017年將近5000萬噸電子垃圾被淘汰 - 比2015年的廢物高出20%以上。

斯坦福大學(xué)的工程師Zhenan Bao和她的團(tuán)隊(duì)正在重新思考電子產(chǎn)品。“在我的小組中，我們一直試圖模仿人類皮膚的功能來思考如何開發(fā)未來的電子設(shè)備，”鮑說。她描述了皮膚是如何可拉伸，可自我修復(fù)和可生物降解的 - 這是一個有吸引力的電子特征列表。“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了前兩個[靈活和自我修復(fù)]，因此生物降解性是我們想要解決的問題。”

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種靈活的電子設(shè)備，只需添加醋等弱酸即可輕松降解。結(jié)果發(fā)表在5月1日的“ 美國國家科學(xué)院院刊”上。

“這是可以分解的半導(dǎo)電聚合物的第一個例子，”主要作者，與寶一起工作的博士后研究員Ting Lei說。

除了聚合物 - 基本上是一種柔韌的導(dǎo)電塑料外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種可降解電子電路和一種用于安裝電子元件的新型可生物降解基板材料。該基板支撐電氣元件，彎曲和模制成粗糙和光滑的表面。當(dāng)不再需要電子設(shè)備時，整個物體可以生物降解成無毒成分。

可生物降解的鉆頭

化學(xué)工程和材料科學(xué)與工程教授鮑先生之前已經(jīng)開發(fā)了一種以人體皮膚為模型的可拉伸電極。這種材料可以彎曲和扭曲，使其能夠與皮膚或大腦接觸，但它不會降解。這限制了其對植入式設(shè)備的應(yīng)用，并且 - 對寶來說很重要 - 導(dǎo)致浪費(fèi)。

Bao表示，考慮到傳統(tǒng)的聚合物化學(xué)，制造既堅(jiān)固的電導(dǎo)體又可生物降解的堅(jiān)固材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“我們一直在努力思考如何實(shí)現(xiàn)既有巨大的電子特性又具有生物降解性，”鮑說。

最終，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整柔性材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，它會在溫和的壓力下破裂。“我們提出了使用一種特殊類型的化學(xué)鍵來制造這些分子的想法，這種化學(xué)鍵可以保持電子沿著分子平穩(wěn)傳輸?shù)哪芰Γ?rdquo;Bao說。“但這種化學(xué)鍵對弱酸也很敏感 - 甚至比純醋弱。” 結(jié)果是一種材料可以攜帶電子信號但是在不需要極端措施的情況下發(fā)生故障。

柔性半導(dǎo)體可以粘附到光滑或粗糙的表面上并生物降解成無毒產(chǎn)品。圖片來源：寶實(shí)驗(yàn)室

除了可生物降解的聚合物外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種新型電子元件和一種附著在整個電子元件上的基板材料。電子元件通常由金制成。但是對于這種設(shè)備，研究人員用鐵制造組件。Bao指出，鐵是一種非常環(huán)保的產(chǎn)品，對人體無毒。

研究人員用纖維素制造了載有電子電路和聚合物的基質(zhì)。纖維素與構(gòu)成紙張的物質(zhì)相同。但與紙張不同的是，該團(tuán)隊(duì)改變了纖維素纖維，因此“紙張”具有透明性和柔韌性，同時仍易于分解。薄膜基板允許電子器件佩戴在皮膚上或甚至植入體內(nèi)。

從植入物到植物

可生物降解的導(dǎo)電聚合物和基板的組合使得電子設(shè)備可用于多種環(huán)境 - 從可穿戴電子設(shè)備到具有傳感器灰塵的大規(guī)模環(huán)境調(diào)查。

“我們設(shè)想這些非常薄且適合皮膚的柔軟貼片可以測量血壓，血糖值，汗液含量，”鮑說。一個人可以在一天或一周內(nèi)佩戴專門設(shè)計(jì)的補(bǔ)丁，然后下載數(shù)據(jù)。據(jù)Bao介紹，這種短期使用的一次性電子產(chǎn)品似乎非常適合可降解，靈活的設(shè)計(jì)。

而且它不僅適用于皮膚調(diào)查：可生物降解的基質(zhì)，聚合物和鐵電極使整個組件與插入人體相容。聚合物分解成產(chǎn)品濃度遠(yuǎn)低于飲用水中公布的可接受水平。盡管發(fā)現(xiàn)該聚合物具有生物相容性，但寶說，在植入物經(jīng)常發(fā)生之前需要進(jìn)行更多的研究。

可生物降解的電子產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出收集心臟病和葡萄糖數(shù)據(jù)的潛力。這些組件可用于調(diào)查覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)大面積區(qū)域的地方。雷描述了一種研究方案，其中可生物降解的電子設(shè)備通過飛機(jī)在森林上投下，以調(diào)查景觀。“這是一個非常大的區(qū)域，人們很難傳播傳感器，”他說。“而且，如果你傳播傳感器，很難把它們收回來。你不想污染環(huán)境，所以我們需要一些可以分解的東西。” 傳感器不會在森林地面亂扔垃圾，而是會生物降解。

隨著電子產(chǎn)品數(shù)量的增加，生物降解性將變得更加重要。雷對他們的進(jìn)步感到興奮，并希望不斷提高可生物降解電子產(chǎn)品的性能。“我們目前擁有電腦和手機(jī)，我們生產(chǎn)了數(shù)百萬和數(shù)十億部手機(jī)，并且很難分解，”他說。“我們希望我們能開發(fā)出一些可以分解的材料，以減少浪費(fèi)。”