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根据联合国的数据,美国只有不到四分之一的电子垃圾得到回收。仅在2021年,全球电子垃圾就激增了5750万吨,其中只有17.4%被回收。


一些专家预测,随着时间的推移,我们的电子垃圾问题只会变得更糟,因为如今市场上的大多数电子产品都是为便携性而设计的,而不是可回收性。例如,平板电脑和阅读器是通过将电路、芯片和硬盘粘合在塑料薄层上组装起来的,这些塑料薄层必须经过熔化才能提取铜和金等贵金属。燃烧塑料会向大气中释放有毒气体,垃圾填埋场丢弃的电子产品通常含有汞、铅和铍等有害物质。

但现在,来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的一组研究人员开发了一种潜在的解决方案:完全可回收和生物降解的印刷电路。研究人员在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上报道了这种新设备,他们说,这种进展可以将可穿戴设备和其他柔性电子设备从垃圾填埋场中转移出来,并减轻重金属废物对健康和环境造成的危害。


“当谈到塑料电子垃圾时,人们很容易说它不可能解决,然后放任不管。”资深作者徐婷说,他是伯克利实验室材料科学部的资深科学家,也是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授。但科学家们发现了更多的证据,表明电子垃圾渗入土壤和地下水会导致严重的健康和环境问题。通过这项研究,我们表明,尽管你还不能解决整个问题,但至少可以在不污染环境的情况下解决回收重金属的问题。”


让酶发挥作用


在之前《自然》杂志的一项研究中,徐和她的团队展示了一种嵌入纯化酶(如洋葱伯克霍氏菌脂肪酶(bc -脂肪酶))的生物可降解塑料材料。通过这项工作,他们发现热水可以激活bc -脂肪酶,促使这种酶将聚合物链降解成单体。他们还了解到,bc -脂肪酶是一种挑剔的“食客”。在脂肪酶将聚合物链转化为单体之前,它必须先抓住聚合物链的末端。通过控制脂肪酶何时找到链端,可以确保在水达到一定温度之前材料不会降解。


在目前的研究中,徐和她的团队进一步简化了这个过程。取代昂贵的纯化酶,生物可降解印刷电路依赖于更便宜的、现成的BC脂肪酶“鸡尾酒”。这大大降低了成本,促进了印刷电路的大规模生产。


通过这样做,研究人员推进了这项技术,使他们能够开发出一种可打印的“导电油墨”,它由生物可降解聚酯粘合剂、导电填料(如银片或炭黑)和商业化的酶鸡尾酒组成。墨水的导电性来自于银或炭黑颗粒,生物可降解聚酯粘合剂起到胶水的作用。

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研究人员提供了一种带有导电油墨的商用3D打印机,可以将电路图案打印到各种表面上,如硬质生物降解塑料、柔性生物降解塑料和布料。这证明了墨水会附着在各种材料上,一旦墨水干了就会形成一个完整的装置。


为了测试它的保质期和耐用性,研究人员将一个印刷电路储存在实验室的抽屉里,不控制湿度和温度,长达7个月。在将电路从存储器中取出后,研究人员在设备上连续施加一个月的电压,发现电路的导电性和存储前一样好。


接下来,研究人员将设备浸泡在温水中,测试其可回收性。在72小时内,电路材料降解为其组成部分——银颗粒完全从聚合物粘合剂中分离出来,聚合物分解为可重复使用的单体,使得研究人员无需额外处理就可以轻松回收金属。在实验结束时,他们确定,大约94%的银粒子可以在类似的设备性能下回收和重复使用。


研究人员惊讶地发现,在30天的操作后,该电路的降解能力还在继续,这表明酶仍然是活跃的。“我们很惊讶这些酶能‘存活’这么长时间。酶不能在电场中工作。”徐说。


徐将这种工作酶的寿命归因于这种可生物降解塑料的分子结构。在他们之前的研究中,研究人员了解到,添加一种被称为随机异质聚合物(RHP)的酶保护剂,有助于将酶分散到混合物中,形成几个纳米(十亿分之一米)大小的团簇。这就在塑料中创造了一个安全的地方让酶休眠,直到它们被召唤行动。


研究报告的主要作者、加州大学伯克利分校徐集团的博士生权俊杓(Junpyo Kwon)说,这种电路还显示出了作为一次性塑料的可持续替代品的前景,这些塑料用于瞬态电子设备,比如生物医学植入物或环境传感器,它们会在一段时间内分解。


现在,他们已经展示了一种生物可降解和可回收的印刷电路,徐想展示一种可打印、可回收和可生物降解的微芯片。


考虑到如今芯片的复杂程度,这肯定不是一件容易的事。但我们必须努力发挥我们的水平。


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