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科学家展示生物降解印刷电路,可回收重复利用

2022-09-01 14:24:19 劳伦斯伯克利国家实验室 阅读:
据联合国统计,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,电子垃圾问题将愈发严重。但现在,来自能源部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可行的解决方案……

据联合国统计,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。yfrednc

一些专家预测,随着时间的推移,电子垃圾问题将愈发严重,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。yfrednc

但现在,来自能源部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可行的解决方案:完全可回收和可生物降解的印刷电路。研究人员在《Advanced Materials》杂志上报道了这项研究,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。yfrednc

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“当谈到塑料电子垃圾时,很容易说它不可能解决并走开,”资深作者、伯克利实验室 材料科学部的资深科学家、大学化学与材料科学与工程教授Ting Xu 说。加州大学伯克利分校。“但科学家们正在发现更多证据表明电子垃圾渗入土壤和地下水会引起严重的健康和环境问题。通过这项研究,我们表明即使你还不能解决整个问题,你至少可以在不污染环境的情况下解决回收重金属的问题。”yfrednc

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。yfrednc

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伯克利实验室的 Ting Xu 领导了一种完全可回收和可生物降解的印刷电路的开发。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。(来源:雷神斯威夫特/伯克利实验室)yfrednc

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。yfrednc

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。yfrednc

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。yfrednc

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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。学分:玛丽莲萨金特/伯克利实验室yfrednc

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。yfrednc

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。yfrednc

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。yfrednc

徐将工作酶的长寿归因于可生物降解塑料的分子结构。在他们之前的研究中,研究人员了解到,添加一种称为无规杂聚物或 RHP 的酶保护剂有助于将混合物中的酶分散成几纳米(十亿分之一米)大小的簇。这在塑料中创造了一个安全的地方,让酶处于休眠状态,直到它们被要求采取行动。yfrednc

主要作者、博士 Junpyo Kwon 说,该电路还显示出作为瞬态电子设备中使用的一次性塑料的可持续替代品的前景——诸如生物医学植入物或环境传感器等设备会在一段时间内分解。加州大学伯克利分校徐组的学生研究员。yfrednc

既然他们已经展示了一种可生物降解和可回收的印刷电路,Xu 希望展示一种可印刷、可回收和可生物降解的微芯片。yfrednc

“鉴于如今的芯片非常复杂,这肯定不容易。但我们必须努力做到最好,”她说。yfrednc

参考链接:Print, Recycle, Repeat: Scientists Demonstrate a Biodegradable Printed Circuit;Demi Xia编译yfrednc

责编:Demi
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