美国杜克大学的工程师们开发了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品。通过演示一种关键且相对复杂的计算组件——晶体管——由三种碳基油墨制造而成,研究人员希望能激发出新一代可循环利用的电子产品,以帮助对抗日益增长的全球电子废物流行。


“基于硅的计算机组件可能永远不会消失,我们也不指望像我们这样容易回收的电子产品取代已经被广泛使用的技术和设备。”杜克大学电气和计算机工程Addy教授Aaron Franklin表示,“但我们希望,通过创造新的、完全可回收的、易于印刷的电子产品,并展示它们能做些什么,它们可能会在未来的应用中得到广泛应用。”

 

首个完全可回收的打印晶体管的3D渲染


首个完全可回收的打印晶体管的3D渲染。来源:杜克大学


随着世界各地的人们越来越多地将电子产品应用到他们的生活中,越来越多的废弃设备要么不再工作,要么被抛弃,转而选择一种较新的型号。据联合国估计,在每年扔掉的数百万公斤电子产品中,只有不到四分之一被回收。随着5G设备的升级和物联网的不断扩大,问题只会变得更糟。


部分问题是电子设备很难回收利用。大型工厂雇用了数百名拆解大型设备的工人。但是,尽管铜、铝和钢的碎片可以回收利用,但位于这些设备核心的硅片却无法回收。


可循环再用的道路已经打开


在这项新的研究中,Franklin和他的实验室展示了一种完全可回收的、功能齐全的晶体管,它由三种碳基油墨制成,可以很容易地印在纸上或其他柔软、环保的表面上。碳纳米管和石墨烯油墨分别用于半导体和导体。Franklin说,虽然这些材料在印刷电子领域并不新鲜,但随着一种名为纳米纤维素的木质绝缘介质墨水的开发,可循环利用的道路开始了。


“纳米纤维素是可生物降解的,多年来一直被应用于包装等领域。”Franklin说,“虽然人们早就知道它作为一种绝缘体在电子产品中的潜在应用,但以前没有人知道如何在可打印的墨水中使用它。”这是使这些完全可循环利用的设备运转的关键之一。”

 

研究人员测试了一种由完全可回收的印刷电子制成的生物传感器。回收工艺回收了近100%使用的材料,材料的性能损失很小


研究人员测试了一种由完全可回收的印刷电子制成的生物传感器。回收工艺回收了近100%使用的材料,材料的性能损失很小。来源:杜克大学


研究人员开发了一种悬浮纳米纤维素晶体的方法,这种纳米纤维素是从木头纤维中提取出来的,这种纤维通过撒上少量的食盐,产生了一种油墨,在他们的印刷晶体管中充当绝缘体的作用令人叹为观止。在室温下使用喷雾剂打印机的这三种墨水,研究小组表明,他们的全碳晶体管性能良好,可以在各种应用中使用,甚至在最初打印6个月后也是如此。


然后,研究小组展示了他们的设计是如何可回收利用的。通过将他们的设备淹没在一系列的浴缸中,用声波轻轻地震动它们,并将产生的溶液离心,碳纳米管和石墨烯依次被回收,平均收率接近100%。然后,这两种材料可以在相同的印刷过程中重复使用,同时几乎不会失去它们的性能可行性。而且,由于纳米纤维素是由木材制成的,所以它可以与印在纸上的纸一起回收利用。


正确方向的垫脚石


与电阻电容相比,晶体管是一种相对复杂的计算元件,用于诸如功率控制或逻辑电路以及各种传感器等器件中。Franklin解释说,通过演示这种完全可回收、多功能的印刷晶体管,他希望向商业上追求的简单器件技术迈出第一步。Franklin说他可以想象,在一座大型建筑中使用的技术需要数千个简单的环境传感器来监测其能源使用情况,或者需要定制生物传感器来跟踪医疗状况。


“像这样的可回收电子产品不可能以任何方式取代整个五万亿美元的产业,并且我们肯定离印刷可回收计算处理器还差得远。”Franklin说,“但是,展示这些新材料及其功能有望成为新型电子产品生命周期的正确方向的垫脚石。”

来源:杜克大学

编译:与非网