研究人员开发新一波电子产品

随着电子产品在我们的生活中越来越普遍 - 从智能手机到可穿戴传感器 - 他们创造的电子垃圾数量不断增加。联合国环境规划署的一份报告发现，2017年将近5000万吨电子垃圾被淘汰 - 比2015年的废物高出20%以上。

斯坦福大学的工程师Zhenan Bao和她的团队正在重新思考电子产品。“在我的小组中，我们一直试图模仿人类皮肤的功能来思考如何开发未来的电子设备，”鲍说。她描述了皮肤是如何可拉伸，可自我修复和可生物降解的 - 这是一个有吸引力的电子特征列表。“我们已经实现了前两个[灵活和自我修复]，因此生物降解性是我们想要解决的问题。”

该团队创造了一种灵活的电子设备，只需添加醋等弱酸即可轻松降解。结果发表在5月1日的“ 美国国家科学院院刊”上。

“这是可以分解的半导电聚合物的第一个例子，”主要作者，与宝一起工作的博士后研究员Ting Lei说。

除了聚合物 - 基本上是一种柔韧的导电塑料外，该团队还开发了一种可降解电子电路和一种用于安装电子元件的新型可生物降解基板材料。该基板支撑电气元件，弯曲和模制成粗糙和光滑的表面。当不再需要电子设备时，整个物体可以生物降解成无毒成分。

可生物降解的钻头

化学工程和材料科学与工程教授鲍先生之前已经开发了一种以人体皮肤为模型的可拉伸电极。这种材料可以弯曲和扭曲，使其能够与皮肤或大脑接触，但它不会降解。这限制了其对植入式设备的应用，并且 - 对宝来说很重要 - 导致浪费。

Bao表示，考虑到传统的聚合物化学，制造既坚固的电导体又可生物降解的坚固材料是一项挑战。“我们一直在努力思考如何实现既有巨大的电子特性又具有生物降解性，”鲍说。

最终，该团队发现，通过调整柔性材料的化学结构，它会在温和的压力下破裂。“我们提出了使用一种特殊类型的化学键来制造这些分子的想法，这种化学键可以保持电子沿着分子平稳传输的能力，”Bao说。“但这种化学键对弱酸也很敏感 - 甚至比纯醋弱。” 结果是一种材料可以携带电子信号但是在不需要极端措施的情况下发生故障。

柔性半导体可以粘附到光滑或粗糙的表面上并生物降解成无毒产品。图片来源：宝实验室

除了可生物降解的聚合物外，该团队还开发了一种新型电子元件和一种附着在整个电子元件上的基板材料。电子元件通常由金制成。但是对于这种设备，研究人员用铁制造组件。Bao指出，铁是一种非常环保的产品，对人体无毒。

研究人员用纤维素制造了载有电子电路和聚合物的基质。纤维素与构成纸张的物质相同。但与纸张不同的是，该团队改变了纤维素纤维，因此“纸张”具有透明性和柔韧性，同时仍易于分解。薄膜基板允许电子器件佩戴在皮肤上或甚至植入体内。

从植入物到植物

可生物降解的导电聚合物和基板的组合使得电子设备可用于多种环境 - 从可穿戴电子设备到具有传感器灰尘的大规模环境调查。

“我们设想这些非常薄且适合皮肤的柔软贴片可以测量血压，血糖值，汗液含量，”鲍说。一个人可以在一天或一周内佩戴专门设计的补丁，然后下载数据。据Bao介绍，这种短期使用的一次性电子产品似乎非常适合可降解，灵活的设计。

而且它不仅适用于皮肤调查：可生物降解的基质，聚合物和铁电极使整个组件与插入人体相容。聚合物分解成产品浓度远低于饮用水中公布的可接受水平。尽管发现该聚合物具有生物相容性，但宝说，在植入物经常发生之前需要进行更多的研究。

可生物降解的电子产品远远超出收集心脏病和葡萄糖数据的潜力。这些组件可用于调查覆盖偏远地区大面积区域的地方。雷描述了一种研究方案，其中可生物降解的电子设备通过飞机在森林上投下，以调查景观。“这是一个非常大的区域，人们很难传播传感器，”他说。“而且，如果你传播传感器，很难把它们收回来。你不想污染环境，所以我们需要一些可以分解的东西。” 传感器不会在森林地面乱扔垃圾，而是会生物降解。

随着电子产品数量的增加，生物降解性将变得更加重要。雷对他们的进步感到兴奋，并希望不断提高可生物降解电子产品的性能。“我们目前拥有电脑和手机，我们生产了数百万和数十亿部手机，并且很难分解，”他说。“我们希望我们能开发出一些可以分解的材料，以减少浪费。”