可降解的柔性新型電子材料，有望減少全球電子垃圾

斯坦福大學鮑哲南團隊開發出了一種新型半導體器件，與皮膚一樣柔軟且易降解。其在醫療和環境等領域具有多方面的應用價值，且不會增加已堆積如山的全球電子廢棄物。

瞬態聚合物電子器件的高分子合成、器件製備和分解的循環過程示意圖。（圖片來源：論文原文）

來源 Stanford News

撰文 SARAH DEROUIN

翻譯 陸妍婷

審校 LYW 紫蘇

從智能手機到穿戴式感測器，隨著電子產品越來越普遍地深入每個人的生活，由此產生的電子廢棄物的數量也越來越多。聯合國環境規劃署的一份報告顯示，2017年的電子廢棄物近5000萬噸，比2015年高出20％以上。

由斯坦福大學工程師開發的一種新型柔性可生物降解半導體器件，展示在一根人的頭髮上。（圖片來源：Baolab）

受到這些不斷增加的電子廢棄物的困擾，斯坦福大學工程師鮑哲南(Zhenan Bao)和她的團隊進行了反思。「在我的團隊中，我們一直在努力模仿人類皮膚的功能，思考如何開發未來的電子設備，」 鮑哲南說。她介紹了皮膚是如何能夠靈活伸展、自我修復與生物降解的，而這幾點正是電子器件所需的、具有吸引力的特徵。「我們已經實現了前兩個（靈活伸展和自我修復），因此生物降解性是我們想要解決的。」

該團隊創造了一種柔性的電子元件，只需要添加弱酸，比如醋酸，就會輕鬆降解。相關成果於5月1日在美國國家科學院院刊（PNAS）上發表。

「這是可分解半導體聚合物的首例。」與鮑哲南一起工作的博士後研究員 Ting Lei 說。

除了聚合物（本質上即柔性的導電塑料），該團隊還開發了一種可降解的電子電路和一種新型的可生物降解的襯底材料用於裝配電子元件。該襯底能夠支撐電子元件，可彎曲變形，在粗糙或光滑的表面均可成型。當不再需要該電子器件時，整個器件可被生物降解成無毒組分。

可生物降解的電子元件

鮑哲南是斯坦福大學化學工程和材料科學與工程系的教授，曾經開發了一種以人體皮膚為模型的可拉伸電極。該電極可以按某種方式彎曲和扭轉，從而能夠與皮膚或大腦相連接，但是無法降解。這限制了該元件在植入式設備中的應用，並且會製造電子廢棄物,而鮑哲南也一直非常在意這一點。

可以附著到光滑或粗糙的表面的柔性半導體器件，並且可被生物降解成無毒產物。（圖片來源：Bao lab）

柔性電子材料靈活地貼合在人腦模型表面。（圖片來源：論文原文）

「考慮傳統的聚合物化學，想創造出一種強大的材料，既是良好的導體又可生物降解是一個挑戰。我們一直在努力思考如何同時實現良好的電子性能和生物降解性。」 鮑哲南說。

最終，該團隊發現，可通過調整柔性材料的化學結構，使其在溫和的壓力條件下分解。鮑哲南說：「我們提出了一個設想，使這些分子通過特殊類型的化學鍵連接，從而既保持其沿分子鏈方向傳輸電子的能力，同時這種化學鍵還對弱酸（甚至比醋酸更弱的酸）敏感。」該想法最終得以實現，並獲得了這種可以傳輸電子信號同時不需要極端處理就可以降解的材料。

除了可生物降解的聚合物之外，該團隊還開發了一種新型的電子元件和用於連接全部電子元件的襯底材料。電子元件通常由金製成。但是在這種器件中，研究人員由鐵製件。鮑哲南指出，鐵是一種環境友好的材料，對人類無毒。

研究人員使用纖維素製造出了用於支撐電子電路和聚合物的襯底。纖維素也是構成紙的物質。但與通常紙張中的纖維素不同，該團隊對纖維素纖維進行了改性，因此這種「紙」透明並且柔軟，同時仍易於分解。這種薄膜襯底使電子器件能夠穿戴在皮膚上，甚至植入人體內部。

從移植到種植

可生物降解的導電聚合物和襯底的結合使得電子設備能夠在更多裝置中發揮作用，從可穿戴電子設備到用作大規模環境調查的微型感測器。

「我們設想，這些柔軟的貼片非常薄，可以貼合皮膚，從而能夠對血壓、葡萄糖值、汗液含量等進行檢測。」鮑哲南說。一個人可以穿戴某種專門設計的貼片一天或一周，然後下載檢測數據。據鮑哲南表示，這種短期使用的一次性電子產品似乎非常符合可降解的柔性器件的設計要求。

而且這種器件不僅僅可以用於皮膚表面的檢測：可生物降解的襯底、聚合物和鐵電極的結合使整個器件具有生物相容性，可植入人體。聚合物分解後的產物濃度遠低於已發布的飲用水中可接受的水平。然而鮑哲南表示，雖然這種聚合物是生物相容的，在作為常規性植入物使用之前，仍需要進行更多的研究。

可生物降解電子器件的可能的應用範圍將遠遠超出收集心臟病數據和葡萄糖數據。這些器件可大面積覆蓋偏遠地區用於調查。Lei 描述了一種研究方案，由飛機在森林上方投放可生物降解的電子設備以對景觀進行調查。「這是一個非常大的區域，使用人力布置感測器是非常困難的」他說，「而且，即便布滿了感測器，也很難把它們收回。既然不希望污染環境，我們就需要使用一些可以分解的東西。」這樣，這些感測器將被生物降解，而不是成為森林裡的塑料垃圾。

隨著電子產品數量的增加，生物降解性將變得更加重要。Lei對他們的研究成果興奮不已，並希望不斷提高生物可降解電子產品的性能。「我們目前擁有大量電腦和手機並在不斷生產數以億萬計的手機，它們都很難分解，」他說，「我們希望能夠開發一些可分解的材料，以減少廢棄物。」

論文基本信息

【題目】Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer forultrathin and ultralightweight transient electronics

【作者】Ting Leia, Ming Guanb, Jia Liu,et al.

【期刊】PNAS

【日期】May1, 2017

【摘要】

Increasing performance demands and shorter use lifetimes ofconsumer electronics have resulted in the rapid growth of electronic waste.Currently, consumer electronics are typically made with nondecomposable,nonbiocompatible, and sometimes even toxic materials, leading to seriousecological challenges worldwide. Here, we report an example of totallydisintegrable and biocompatible semiconducting polymers for thin-filmtransistors. The polymer consists of reversible imine bonds and building blocksthat can be easily decomposed under mild acidic conditions. In addition, anultrathin (800-nm) biodegradable cellulose substrate with high chemical andthermal stability is developed. Coupled with iron electrodes, we havesuccessfully fabricated fully disintegrable and biocompatible polymertransistors. Furthermore, disintegrable and biocompatible pseudo-complementarymetal–oxide–semiconductor (CMOS) flexible circuits are demonstrated. Theseflexible circuits are ultrathin (

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

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