可降解的柔性电子材料，有望减少全球电子垃圾

从智能手机到可穿戴传感器，随着电子产品在每个人的生活中变得越来越受欢迎，产生的电子垃圾数量也在增加。联合国环境规划署的一份报告显示，2017年将有近5000万吨电子垃圾，比2015年高出20%以上。

斯坦福大学的工程师甄安宝和她的团队对电子垃圾数量的增加感到不安。“在我的团队中，我们一直在尝试模仿人类皮肤的功能，并思考如何开发未来的电子设备，”包振安说。她介绍了皮肤如何灵活伸展、自我修复和生物降解，这些都是电子设备所需要的吸引人的特性。“我们已经实现了前两个目标(灵活扩展和自我修复)，所以生物降解性是我们想要解决的问题。”

该团队已经创造了一种灵活的电子元件，通过添加弱酸，如醋酸，可以很容易地降解。该结果发表在5月1日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

"这是第一例可分解的半导体聚合物."鲍振安的博士后研究员雷婷说。

除了聚合物(本质上是柔性导电塑料)，该团队还开发了一种可降解的电子电路和一种用于组装电子元件的新型可生物降解基材。基板可以支撑电子元件，可以弯曲和变形，并且可以模制在粗糙或光滑的表面上。当不再需要电子设备时，整个设备可以被生物降解成无毒的部件。

可生物降解的电子元件

鲍振安是斯坦福大学化学工程和材料科学与工程系的教授。他曾经开发了一种基于人类皮肤的可拉伸电极。电极可以以某种方式弯曲和扭曲，以便与皮肤或大脑连接，但不能降解。这限制了这种成分在植入式装置中的应用，并且会产生电子废物，这是包振安一直非常关注的。

柔性电子材料柔性地适合人脑模型的表面。(照片来源:原纸)

“考虑到传统的聚合物化学，创造一种既能导电又能生物降解的强大材料是一个挑战。我们一直在努力思考如何同时实现良好的电子性能和生物降解性。”包振安说。

最后，研究小组发现，柔性材料的化学结构可以在温和的压力下被调整分解。包振安说:“我们想出了一个办法，通过特殊类型的化学键将这些分子连接起来，这种化学键不仅能保持它们沿分子链方向传输电子的能力，而且对弱酸(甚至比乙酸弱的酸)也很敏感。”这一想法最终得以实现，并获得了这种无需极端处理即可传输电子信号并降解的材料。

除了可生物降解的聚合物，该团队还开发了一种新型的电子元件和连接所有电子元件的基底材料。电子元件通常是由黄金制成的。但是在这个装置中，研究人员是由铁制成的。包振安指出，铁是一种环保材料，对人类无毒。

研究人员用纤维素制造支持电子电路和聚合物的衬底。纤维素也是造纸的材料。然而，与普通纸中的纤维素不同，该小组对纤维素纤维进行了改性，因此“纸”是透明和柔软的，同时仍然容易分解。薄膜基底使得电子器件能够被佩戴在皮肤上，甚至植入人体内。

从移植到种植

生物可降解导电聚合物和基底的结合使电子设备能够在更多设备中发挥作用，从可穿戴电子设备到用于大规模环境调查的微传感器。

“我们认为这些柔软的贴片非常薄，能够贴合皮肤，从而能够检测血压、葡萄糖值、汗液含量等。”包振安说。一个人可以戴一个特别设计的补丁一天或一周，然后下载测试数据。包振安表示，这种短期一次性电子产品似乎符合可降解柔性器件的设计要求。

此外，该装置不仅可用于皮肤表面检测:可生物降解的基质、聚合物和铁电极的结合使整个装置具有生物相容性并可植入人体。聚合物分解后的产品浓度远低于公布的饮用水的可接受水平。然而，包振安说，尽管这种聚合物是生物相容的，但在用作常规植入物之前，还需要更多的研究。

生物可降解电子设备的可能应用范围将远远超出收集心脏病数据和葡萄糖数据。这些设备可以覆盖偏远地区的大面积区域进行调查。雷描述了一个研究计划，在该计划中，飞机将可生物降解的电子设备投放到森林上空，对景观进行调查。“这是一个非常大的区域，手动部署传感器非常困难，”他说。“此外，即使传感器满了，也很难找回它们。因为我们不想污染环境，所以我们需要使用可以分解的东西。”这样，这些传感器将是可生物降解的，而不是成为森林中的塑料废物。

随着电子产品数量的增加，生物降解性将变得更加重要。雷对他们的研究成果感到兴奋，并希望不断提高生物降解电子产品的性能。“我们目前拥有大量的电脑和手机，并持续生产数亿部难以分解的手机，”他说。"我们希望开发一些可分解的材料来减少浪费."