科學家研發新一代電子設備：柔性、有機、可降解！

導讀

最近，美國斯坦福大學的科研人員成功研製出一種柔性、有機、可生物降解的電子設備，不僅環保，而且具有很好的生物相容性，可應用於可穿戴設備、植入式設備等電子產品領域。

關鍵字

有機電子、柔性電子、可生物降解的材料、薄膜晶體管

背景

在我們日常生活中，隨處可見各式各樣的電子設備，例如智能手機、可穿戴設備、平板電腦、醫療電子設備等等，它們方便和改善了我們的生活，但是也不斷製造出很多電子垃圾。

之前，我在《電子垃圾泛濫成災，冷凍粉碎處理法更加環保！》一文中曾經介紹過電子垃圾的危害，例如污染環境，危害健康等等，同時也介紹了更加環保的處理電子垃圾的「冷凍粉碎」法。

(圖片來源於：維基百科)

但是，與其考慮如何更環保的處理電子垃圾，還不如從源頭上反思一下電子產品的組成材料。通常，電子元器件都是不可降解的，也沒有生物相容性，且含有大量對於環境有害的物質。

創新

所以，科學家們一直在探索，想要設計出更加柔性、有機、環保、可降解的新一代電子設備。斯坦福大學的工程師、化學工程和材料科學與工程系教授 Zhenan Bao 及其團隊重新思考和審視了現有電子設備，進行了創新探索。

他們創造出一種柔性電子設備，通過添加弱酸例如醋，就可以很容易對其降解。這項研究成果發表於5月1日的《美國國家科學院院刊》上，論文題為《用於瞬態電子設備的生物相容性和完全可分解的聚合物半導體》「Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics」

研究人員嘗試模仿人類皮膚，因為皮膚是可伸展、可自我修復、也是生物可降解的，這些特性十分適合未來的電子設備。

他們開發出的電子設備具有：柔性導電的聚合物、可降解的電路板、可生物降解的新型基底材料。基底材料上可以安裝這些電氣部件，可在粗糙或者光滑的表面上彎曲和成形。最終，當這些設備廢棄時，可以通過生物降解為無毒成分。

（圖片來源於：斯坦福大學/Bao lab）

技術

介紹這項技術之前，我們先介紹 Bao 教授之前的一項研究。他曾經設計過一種可伸縮的電極，它可以貼在人類皮膚上，作為電子設備和人類皮膚或者大腦交互的介面。但遺憾的是，這個設備不可以降解，這一點限制了它的應用，因為它會製造出垃圾。

（圖片來源於：斯坦福大學）

所以，Bao 教授認為，基於傳統的高分子化學，設計出不易損壞的，具有良好導電性和生物可分解性的設備，是一個巨大的挑戰。他們一直想達到既有很好的電子特性，又具有生物可降解性。

（圖片來源於：斯坦福大學/Bao lab）

聚合物

所以，研究團隊調整了柔性材料的化學結構，使之可以在輕微的壓力下，進行分解。他們一直想使用一種特殊類型的化學鍵，組成這些分子，保持電子順利地沿著分子運輸。這種化學鍵對於弱酸（甚至比純醋還弱）敏感。最終，他們製成了這種材料，既能攜帶電子信號，而又無需複雜措施進行分解。

電極材料

除了可生物降解的聚合物，團隊還開發出了一種新型的電極材料，它不是由金製成，而是由鐵製成。鐵對於環境十分友好，同時對於人類無毒，成本也相對較低。

基質

基質由纖維素製成，它用於攜帶電子電路和聚合物。纖維素，其實就是組成紙張的物質。但是，團隊改變了纖維素纖維，使之和紙張不同，這樣的「紙張」是透明和柔軟的，且容易降解。有了這種薄膜基質，電子設備不僅可穿戴在皮膚上，甚至可植入到身體內。

價值

生物可降解的導電聚合物和基質的結合，製成的柔性電子設備具有巨大的創新價值。根據研究人員的描述，我總結出以下幾點：

可穿戴設備

這種設備輕薄、具有柔性，適用於皮膚，能測量和獲取用戶的血壓、血糖、汗液成分。因為具有可降解和柔性的設計，它可以作為一次性的醫療設備使用。

植入式設備

這種設備不僅可用於皮膚，而且因為它和人體具有相容性，所以能植入身體。聚合物分解後的濃度，遠遠低於目前公布的飲用水中可接受的物質濃度級別。雖然，聚合物具有生物相容性，但研究人員稱，在作為植入物使用成為常態之前，還需要進行更多的研究。

大區域使用的感測器

這些設備還可在偏遠地區的，用於大面積調查。研究人員描述了這一機制，這種可降解的電子設備，能夠通過飛機投放到一片森林中，調查地貌。由於區域面積很大，人工布置這些感測器十分困難，而且布置的感測器，也很難搜集回來。如果你不想污染環境，那麼就需要它們是生物可降解的，否則就會像塑料袋一樣污染森林。

參考資料

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

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