导读


最近,中国和美国休斯顿大学的研究人员联合开发了一种新型瞬态电子设备,它可以通过与大气中的水分子接触而溶解,不仅有利于环保,还可以用于医疗和安全防卫领域。


关键字


环保电子产品安全


背景


电子产品为人类社会的进步作出了巨大贡献,然而电子垃圾照成的危害也不容小觑。如果电子垃圾得不到妥善处理,不仅会严重危害环境,也会威胁人类健康,带来癌症等多种疾病。

(图片来源:路透社)


为什么电子元器件会产生这么大的环境危害呢?究其原因,是因为目前流行的电子器件如智能手机、平板电脑等便携式个人电子设备, 为了能够长期稳定地发挥功能,通常由不可降解、非常稳定、甚至可能有毒(如砷化镓)的基底材料和电子元器件制造而成


为此,笔者曾介绍过一种冻粉碎处理电子垃圾的创新方法,然而今天我要为大家介绍的是最近5年才发展起来的一种新兴电子器件制备技术瞬态电子。或许,许多人对于这个概念并不熟悉,下面为大家解释一下。


瞬态电子是指其组成的功能部件包括衬底材料、无机半导体材料、互联导线等能够以规定的速率,在编程时间内全部或部分消失的一种电子器件制备技术。


瞬态电子器件在运行时具有较好的稳定性,通过较为成熟的柔性电子器件加工技术和转移印刷技术, 其性能可以与普通器件相媲美。但是,与传统电子器件截然不同的是,瞬态电子器件可以在外界刺激或者相关指令的调控下实现物理形态和器件功能上的消失


下图展示了一个近场通信线圈的示意图,及其遇水后在树叶上快速溶解的过程。


(图片来源:参考资料【3】)


与我们前面介绍的众多前沿创新技术一样,瞬态电子研究是一门跨学科跨专业的交叉学科,涉及材料学、电子学、力学以及生物学等多门学科。


创新


最近,来自中国和美国休斯顿大学的研究人员发明了一种新型瞬态电子设备,可以通过与大气中的水分子接触而溶解。相关论文发表于《Science Advances》期刊。


(图片来源:休斯顿大学


技术


在“瞬态电子”领域,一般电子器件需要浸入含水的腐蚀性溶液或者生物体液中才能溶解。论文的领导作者、波士顿大学机械工程系助理教授 Cunjiang Yu 称,这项研究展示了一种全新的工作机制,由环境湿度引起溶解。他说:


“更重要的是,短暂的时间是可以被精确地控制的。”


这意味着,当生物医学植入物完成其任务(例如给药)时,就可按程序消失。另外,对于敏感信息的通信来说,一旦消息投递完毕后,它可以立即消失。还有,那些我们长期不用乱丢在抽屉内的手机,未来也可以按编程设定的程序溶解。研究人员写道:


“我们展示了一种聚合物基质,具有新颖的降解动力学和相关的瞬态化学,从而提供了一种构建物理上的瞬态电子器件的可行策略。”


“通过控制聚合物组件和环境湿度,管理水解聚酐类的进程,使得功能器件的溶解动力学可控。”


据研究人员称,这个时间可以从几天到几周,或者更长。


研究人员构造的这个模型的工作方式大致如下通过加成工艺,功能电子被放置到由聚合物聚酐制成的薄膜上。器件一直保持稳定,直到环境湿度触发化学分解,无机电子材料和元件才被分解掉。


研究人员测试了一些化合物,包括铝、铜、镍铟镓、氧化锌、氧化镁,并开发了各种电子器件,包括电阻、电容、天线、晶体管、二极管、光敏元件等,以展示该模型的多功能性。


Yu称,这些设备的寿命,可以通过不同的湿度水平来控制,也可以通过改变聚合物成分来控制。


价值


Yu 称:


“这项研究将带来一次性的环保个人电子产品,以及可在体内溶解的生物医学设备。它还可用于安全防卫方面,例如这种设备可以通过程控的方式进行溶解,从而保护敏感信息。”


此类瞬态电子器件不仅颠覆了人类对传统电子器件的认识,而且未来的应用前景非常广阔,可应用于可降解的医疗植入物、安全电子器件、可消失的传感器等多个领域。

参考资料


【1】http://www.uh.edu/news-events/stories/2017/August%202017/09062017Yu-Dissolving-Electronics.php

【2】张颖, 陆炳卫, 徐航勋, 冯雪. 瞬态电子器件研究最新进展. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 
2016, 46(4):  044605.  http://phys.scichina.com:8083/sciG/CN/10.1360/SSPMA2015-00550

【3】Huang, X., Liu, Y., Hwang, S.-W., Kang, S.-K., Patnaik, D., Cortes, J.
F. and Rogers, J. A. (2014), Biodegradable Materials for Multilayer
Transient Printed Circuit Boards. Adv. Mater., 26: 7371–7377.
doi:10.1002/adma.201403164



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新型瞬态电子设备:可溶于水!
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