從智能手機(jī)到穿戴式傳感器，隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越普遍地深入每個(gè)人的生活，由此產(chǎn)生的電子廢棄物的數(shù)量也越來(lái)越多。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的一份報(bào)告顯示，2017年的電子垃圾近5000萬(wàn)噸，比2015年高出20%以上。
受到這些不斷增加的電子廢棄物的困擾，斯坦福大學(xué)工程師鮑哲南(Zhenan Bao)和她的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了反思?！霸谖业膱F(tuán)隊(duì)中，我們一直在努力模仿人類皮膚的功能，思考如何開發(fā)未來(lái)的電子設(shè)備，” 鮑哲南說(shuō)。她介紹了皮膚是如何能夠靈活伸展、自我修復(fù)與生物降解的，而這幾點(diǎn)正是電子器件所需的、具有吸引力的特征?！拔覀円呀?jīng)實(shí)現(xiàn)了前兩個(gè)(靈活伸展和自我修復(fù))，因此生物降解性是我們想要解決的?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種柔性的電子元件，只需要添加弱酸，比如醋酸，就會(huì)輕松降解。相關(guān)成果于5月1日在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊(PNAS)上發(fā)表。
“這是可分解半導(dǎo)體聚合物的首例。”與鮑哲南一起工作的博士后研究員 Ting Lei 說(shuō)。
除了聚合物(本質(zhì)上即柔性的導(dǎo)電塑料)，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種可降解的電子電路和一種新型的可生物降解的襯底材料用于裝配電子元件。該襯底能夠支撐電子元件，可彎曲變形，在粗糙或光滑的表面均可成型。當(dāng)不再需要該電子器件時(shí)，整個(gè)器件可被生物降解成無(wú)毒組分。
可生物降解的電子元件
鮑哲南是斯坦福大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)與工程系的教授，曾經(jīng)開發(fā)了一種以人體皮膚為模型的可拉伸電極。該電極可以按某種方式彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而能夠與皮膚或大腦相連接，但是無(wú)法降解。這限制了該元件在植入式設(shè)備中的應(yīng)用，并且會(huì)制造電子廢棄物,而鮑哲南也一直非常在意這一點(diǎn)。
柔性電子材料靈活地貼合在人腦模型表面
(圖片來(lái)源：論文原文)
“考慮傳統(tǒng)的聚合物化學(xué)，想創(chuàng)造出一種強(qiáng)大的材料，既是良好的導(dǎo)體又可生物降解是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們一直在努力思考如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的電子性能和生物降解性?！?鮑哲南說(shuō)。
最終，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)調(diào)整柔性材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其在溫和的壓力條件下分解。鮑哲南說(shuō)：“我們提出了一個(gè)設(shè)想，使這些分子通過(guò)特殊類型的化學(xué)鍵連接，從而既保持其沿分子鏈方向傳輸電子的能力，同時(shí)這種化學(xué)鍵還對(duì)弱酸(甚至比醋酸更弱的酸)敏感?！痹撓敕ㄗ罱K得以實(shí)現(xiàn)，并獲得了這種可以傳輸電子信號(hào)同時(shí)不需要極端處理就可以降解的材料。
除了可生物降解的聚合物之外，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種新型的電子元件和用于連接全部電子元件的襯底材料。電子元件通常由金制成。但是在這種器件中，研究人員由鐵制件。鮑哲南指出，鐵是一種環(huán)境友好的材料，對(duì)人類無(wú)毒。
研究人員使用纖維素制造出了用于支撐電子電路和聚合物的襯底。纖維素也是構(gòu)成紙的物質(zhì)。但與通常紙張中的纖維素不同，該團(tuán)隊(duì)對(duì)纖維素纖維進(jìn)行了改性，因此這種“紙”透明并且柔軟，同時(shí)仍易于分解。這種薄膜襯底使電子器件能夠穿戴在皮膚上，甚至植入人體內(nèi)部。
從移植到種植
可生物降解的導(dǎo)電聚合物和襯底的結(jié)合使得電子設(shè)備能夠在更多裝置中發(fā)揮作用，從可穿戴電子設(shè)備到用作大規(guī)模環(huán)境調(diào)查的微型傳感器。
“我們?cè)O(shè)想，這些柔軟的貼片非常薄，可以貼合皮膚，從而能夠?qū)ρ獕?、葡萄糖值、汗液含量等進(jìn)行檢測(cè)?！滨U哲南說(shuō)。一個(gè)人可以穿戴某種專門設(shè)計(jì)的貼片一天或一周，然后下載檢測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)鮑哲南表示，這種短期使用的一次性電子產(chǎn)品似乎非常符合可降解的柔性器件的設(shè)計(jì)要求。
而且這種器件不僅僅可以用于皮膚表面的檢測(cè)：可生物降解的襯底、聚合物和鐵電極的結(jié)合使整個(gè)器件具有生物相容性，可植入人體。聚合物分解后的產(chǎn)物濃度遠(yuǎn)低于已發(fā)布的飲用水中可接受的水平。然而鮑哲南表示，雖然這種聚合物是生物相容的，在作為常規(guī)性植入物使用之前，仍需要進(jìn)行更多的研究。
可生物降解電子器件的可能的應(yīng)用范圍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出收集心臟病數(shù)據(jù)和葡萄糖數(shù)據(jù)。這些器件可大面積覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)用于調(diào)查。Lei 描述了一種研究方案，由飛機(jī)在森林上方投放可生物降解的電子設(shè)備以對(duì)景觀進(jìn)行調(diào)查?！斑@是一個(gè)非常大的區(qū)域，使用人力布置傳感器是非常困難的”他說(shuō)，“而且，即便布滿了傳感器，也很難把它們收回。既然不希望污染環(huán)境，我們就需要使用一些可以分解的東西?！边@樣，這些傳感器將被生物降解，而不是成為森林里的塑料垃圾。
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。Lei對(duì)他們的研究成果興奮不已，并希望不斷提高生物可降解電子產(chǎn)品的性能?！拔覀兡壳皳碛写罅侩娔X和手機(jī)并在不斷生產(chǎn)數(shù)以億萬(wàn)計(jì)的手機(jī)，它們都很難分解，”他說(shuō)，“我們希望能夠開發(fā)一些可分解的材料，以減少?gòu)U棄物?！?/p>
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