打印、回收、重复：科学家展示可生物降解的印刷电路

打印、回收、重复：科学家展示可生物降解的印刷电路

突破可以从垃圾填埋场转移可穿戴设备和其他柔性电子产品

据联合国统计，美国 不到四分之一的电子垃圾被回收利用。仅在 2021 年，全球电子垃圾就激增了 5740 万吨，其中只有 17.4% 被回收。

一些专家预测，随着时间的推移，我们的电子垃圾问题只会变得更糟，因为当今市场上的大多数电子产品都是为便携性而非可回收性而设计的。例如，平板电脑和阅读器是通过将电路、芯片和硬盘驱动器粘合到薄薄的塑料层上组装而成的，这些塑料层必须熔化以提取铜和金等贵金属。燃烧塑料会将有毒气体释放到大气中，在垃圾填埋场浪费掉的电子产品通常含有汞、铅和铍等有害物质。

但现在，来自劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加州大学伯克利分校的一组研究人员已经开发出一种潜在的解决方案：完全可回收和可生物降解的印刷电路。研究人员在《先进材料》杂志上 道了这种新设备，他们表示，这一进步可以将可穿戴设备和其他柔性电子产品从垃圾填埋场转移，并减轻重金属废物对健康和环境造成的危害。

让酶发挥作用

在之前的一项研究中，Xu 和她的团队展示了一种可生物降解的塑料材料，其中嵌入了纯化的酶，例如伯克霍尔德氏菌脂肪酶 (BC-脂肪酶)。通过这项工作，他们发现热水会激活 BC-脂肪酶，促使该酶将聚合物链降解为单体结构单元。他们还了解到，BC-脂肪酶是一种挑剔的“食客”。在脂肪酶将聚合物链转化为单体之前，它必须首先捕获聚合物链的末端。通过控制脂肪酶何时找到链端，可以确保材料在水达到一定温度之前不会降解。

对于目前的研究，徐和她的团队进一步简化了这个过程。与昂贵的纯化酶不同，可生物降解的印刷电路依赖于更便宜、可上架的 BC 脂肪酶“鸡尾酒”。徐说，这显着降低了成本，有利于印刷电路进入大规模制造。

通过这样做，研究人员推进了这项技术，使他们能够开发出一种可打印的“导电墨水”，该墨水由可生物降解的聚酯粘合剂、银片或炭黑等导电填料以及市售的酶混合物组成。墨水的导电性来自银或炭黑颗粒，可生物降解的聚酯粘合剂充当胶水。

研究人员提供了一台带有导电墨水的商用 3D 打印机，用于在硬质可生物降解塑料、柔性可生物降解塑料和布料等各种表面上打印电路图案。这证明了墨水附着在多种材料上，一旦墨水干燥，就会形成一个集成装置。

Junpyo Kwon，博士 加州大学伯克利分校 Xu Group 的学生研究员手持可回收、可生物降解的印刷电路。这一进展可以将可穿戴设备和其他柔性电子产品从垃圾填埋场转移，并减轻重金属废物对健康和环境造成的危害。

为了测试其保质期和耐用性，研究人员将印刷电路存放在实验室抽屉中，没有控制湿度或温度七个月。将电路从存储中取出后，研究人员对设备施加持续电压一个月，发现电路的导电性能与存储前一样好。

接下来，研究人员通过将设备浸入温水中来测试设备的可回收性。在 72 小时内，电路材料降解为其组成部分——银颗粒与聚合物粘合剂完全分离，聚合物分解成可重复使用的单体，使研究人员无需额外处理即可轻松回收金属。在这个实验结束时，他们确定大约 94% 的银颗粒可以回收和重复使用，具有相似的设备性能。

该电路在运行 30 天后仍能继续降解，这让研究人员感到惊讶，这表明这些酶仍然处于活跃状态。“我们很惊讶这些酶‘活’了这么久。酶的设计目的不是在电场中工作，”徐说。