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科学家制造出可被生物分解的弹性有机电子产品

2017-5-14 环球解密

挂在头发上那样东西是由史丹佛大学工程师所研发的半导体,具有弹性大、可被生物分解的优点。

 

来源:鲍哲楠(Zhenan Bao)实验室

随着电子产品越来越盛行,从智慧型手机到穿戴式感应器都有它们的踪迹,所以电子垃圾数量一直增加。联合国环境署报告显示,在今年约有5千万吨的电子垃圾被丢弃,比2015年多了百分之20。

受到堆积如山的电子垃圾所困扰,史丹佛大学工程师鲍哲楠(Zhenan Bao)和她的团队正重新审视电子产品。她表示:“我们这个团队的工作就是从模仿人类皮肤的功能来思考如何研发出未来的电子装置。”她描述了人类的皮肤是多么有弹性,而且还可自己愈合和被生物分解,这些都将会是未来电子产品的特征。“我们已经达成了前两个目标(弹性高和可自愈性),而可被生物分解这个特征目前正是我们着没的点。

这个团队发明了一个具弹性的电子仪装置,只要加一点酸性物质,像是醋,就可以把它分解。这个结果于5月1日发表于美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)

鲍哲楠的同事,雷霆(Ting Lei)说:“这是第一个可以被压缩的半导体聚合物。”

除了聚合物外(特别是有弹性和传导性的塑胶),他们还研发了可被分解的电路和可被生物分解的基质当作电子零件。这些基质支撑电子零件,且不断地延展和塑型,使它的表面从粗糙变平滑。

可被生物分解的贴片

鲍哲楠之前就以人类皮肤为模型发明了一个可延展的电极。那个物质是可弯曲的,能够影响皮肤和头脑但是无法被分解。因此,无法变成可植入的装置,而且造成了浪费。

鲍哲楠认为对传统高分子化学技术来说,要发明一个坚固的物质,又要顾及它有良好的电传导性,还要可以被生物分解是非常有挑战性的。她说:“我们已经尝试去想要如何达到极佳的电子化学性质也要可以被生物分解。”

最后,他们发现藉由扭曲有弹性物质的化学结构它就可以在轻微的压力下分裂。鲍哲楠说:“我们有个想法,就是藉由一种特别的化学键,它可以确保电子流畅地在分子间互通有无,来自造出分子。不过,这个化学键对弱酸非常的敏感,甚至比纯醋还弱。”这个实验结果就是这个物质能够携带电子讯息,但是很容易就被破坏。

 

这个有弹性的半导体可以附着在平滑或粗糙的表面而且可以被分解成无毒产品。来源:鲍哲楠实验室

除了可被生物非解的聚合物外,他们研发出了新型的电子零件和可附着于电子零件上的基质。电子零件通常是用黄金做成,但是这个零件是用铁做成的。鲍哲楠声明铁是非常环保的而且对人类也无害。

他们藉由纤维素创造了可以携带电子和聚合物的基质。纤维素也就是造纸的材料,但是不同于纸,他们改变了纤维素的结构,所以这个类似纸的东西是透明的有弹性的,但还是容易破掉。这层薄薄的基质能够让电子戴在皮肤上甚至植入身体里面。

从移植到植入

结合可被生物分解又具传导性的聚合物和基质使电子装置在多重设置方面非常有用,从穿戴式电子到大规模的环境调查所需用到的灰尘感应器。

鲍哲楠说:“我们期望柔软的贴片非常的薄而且不会让皮肤不舒服,然后用来测量血压、葡萄糖和汗液。”我们可以带着这特殊设计的贴片一整天或一整周,然后再下载这些资料。根据鲍哲楠的说法,这种短期使用且可丢弃的电子仪器对于可分解和有弹性的设计来说,是个不错的例子。”

这不仅仅是皮肤调查而已:这些可被生物分解的基质、聚合物、铁电极让整个电子零件可以符合人体并且注射进人体。此种聚合物分裂产生的浓缩物比饮用水还低。虽然此种聚合物被发现是适合生物的,鲍哲楠还是说这还需要经过更仔细的研究才行。

可被生物分解的电子能够搜集人类心脏病和葡萄糖的资料。这些零件可以用在那些涵盖大范围或者偏远地区的调查。雷霆描述了一个研究案子,当可被生物分解的电子负载在飞机上横跨森林来调查整片土地。他说:“对人来说,要在这么大的范围散播感应器并且全部收集回来是非常困难的。我们又不想要污染环境所以必须要用可以被分解的东西,因为要这些感应器要被生物分解,所以我们不能用塑胶制的物品。”

随着电子产品的增加,可被生物分解性也变得越来越重要。雷霆对于他们的进步和持续进步的表现非常兴奋。他说:“现今成千上万的电脑和手机等电子产品在市面上,它们都是很难被分解的。我们希望可以发明一些可以被分解的物质来减少浪费。”

其他的在上项研究上的作者包刮,来自史丹佛大学的Ming Guan, Jia Liu, Hung-Chen Lin, Rphapel Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire和Jeffery Tok,还有来自Hwelett Pa的Tsung-Ching Hung。

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