导读


最近,美国斯坦福大学的科研人员成功研制出一种柔性、有机、可生物降解的电子设备,不仅环保,而且具有很好的生物相容性,可应用于可穿戴设备、植入式设备等电子产品领域。

关键字

有机电子、柔性电子、可生物降解的材料、薄膜晶体管

背景


在我们日常生活中,随处可见各式各样的电子设备,例如智能手机、可穿戴设备、平板电脑、医疗电子设备等等,它们方便和改善了我们的生活,但是也不断制造出很多电子垃圾。


之前,我在电子垃圾泛滥成灾,冷冻粉碎处理法更加环保!》一文中曾经介绍过电子垃圾的危害,例如污染环境,危害健康等等,同时也介绍了更加环保的处理电子垃圾的“冷冻粉碎”法。

(图片来源于:维基百科)


但是,与其考虑如何更环保的处理电子垃圾,还不如从源头上反思一下电子产品的组成材料。通常,电子元器件都是不可降解的,也没有生物相容性,且含有大量对于环境有害的物质。

创新

所以,科学家们一直在探索,想要设计出更加柔性、有机、环保、可降解的新一代电子设备。斯坦福大学的工程师、化学工程和材料科学与工程系教授 Zhenan Bao 及其团队重新思考和审视了现有电子设备,进行了创新探索。


他们创造出一种柔性电子设备,通过添加弱酸例如醋,就可以很容易对其降解。这项研究成果发表于5月1日的《美国国家科学院院刊》上,论文题为《用于瞬态电子设备的生物相容性和完全可分解的聚合物半导体》“Biocompatible
and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and
ultralightweight transient electronics”


研究人员尝试模仿人类皮肤,因为皮肤是可伸展、可自我修复、也是生物可降解的,这些特性十分适合未来的电子设备。

他们开发出的电子设备具有:柔性导电的聚合物、可降解的电路板、可生物降解的新型基底材料。基底材料上可以安装这些电气部件,可在粗糙或者光滑的表面上弯曲和成形。最终,当这些设备废弃时,可以通过生物降解为无毒成分。


(图片来源于:斯坦福大学/Bao lab)

技术

介绍这项技术之前,我们先介绍 Bao 教授之前的一项研究。他曾经设计过一种可伸缩的电极,它可以贴在人类皮肤上,作为电子设备和人类皮肤或者大脑交互的接口。但遗憾的是,这个设备不可以降解,这一点限制了它的应用,因为它会制造出垃圾。


(图片来源于:斯坦福大学)

所以,Bao 教授认为,基于传统的高分子化学,设计出不易损坏的,具有良好导电性和生物可分解性的设备,是一个巨大的挑战。他们一直想达到既有很好的电子特性,又具有生物可降解性。


(图片来源于:斯坦福大学/Bao lab)

  • 聚合物


所以,研究团队调整了柔性材料的化学结构,使之可以在轻微的压力下,进行分解。他们一直想使用一种特殊类型的化学键,组成这些分子,保持电子顺利地沿着分子运输。这种化学键对于弱酸(甚至比纯醋还弱)敏感。最终,他们制成了这种材料,既能携带电子信号,而又无需复杂措施进行分解。


  • 电极材料


除了可生物降解的聚合物,团队还开发出了一种新型的电极材料,它不是由金制成,而是由铁制成。铁对于环境十分友好,同时对于人类无毒,成本也相对较低。


  • 基质


基质由纤维素制成,它用于携带电子电路和聚合物。纤维素,其实就是组成纸张的物质。但是,团队改变了纤维素纤维,使之和纸张不同,这样的“纸张”是透明和柔软的,且容易降解。有了这种薄膜基质,电子设备不仅可穿戴在皮肤上,甚至可植入到身体内。


价值


生物可降解的导电聚合物和基质的结合,制成的柔性电子设备具有巨大的创新价值。根据研究人员的描述,我总结出以下几点:


  • 可穿戴设备

这种设备轻薄、具有柔性,适用于皮肤,能测量和获取用户的血压、血糖、汗液成分。因为具有可降解和柔性的设计,它可以作为一次性的医疗设备使用。

  • 植入式设备

这种设备不仅可用于皮肤,而且因为它和人体具有相容性,所以能植入身体。聚合物分解后的浓度,远远低于目前公布的饮用水中可接受的物质浓度级别。虽然,聚合物具有生物相容性,但研究人员称,在作为植入物使用成为常态之前,还需要进行更多的研究。

  • 大区域使用的传感器


这些设备还可在偏远地区的,用于大面积调查。研究人员描述了这一机制,这种可降解的电子设备,能够通过飞机投放到一片森林中,调查地貌。由于区域面积很大,人工布置这些传感器十分困难,而且布置的传感器,也很难搜集回来。如果你不想污染环境,那么就需要它们是生物可降解的,否则就会像塑料袋一样污染森林。

参考资料


【1】http://news.stanford.edu/2017/05/01/flexible-organic-biodegradable-new-wave-electronics/

【2】http://www.pnas.org/content/early/2017/04/25/1701478114



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科学家研发新一代电子设备:柔性、有机、可降解!
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