科學家製造出可被生物分解的彈性有機電子產品

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掛在頭髮上那樣東西是由史丹佛大學工程師所研發的半導體,具有彈性大、可被生物分解的優點。

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來源:鲍哲楠(Zhenan Bao)實驗室

隨著電子產品越來越盛行,從智慧型手機到穿戴式感應器都有它們的蹤跡,所以電子垃圾數量一直增加。聯合國環境署報告顯示,在今年約有5千萬噸的電子垃圾被丟棄,比2015年多了百分之20。

受到堆積如山的電子垃圾所困擾,史丹佛大學工程師鲍哲楠(Zhenan Bao)和她的團隊正重新審視電子產品。她表示:「我們這個團隊的工作就是從模仿人類皮膚的功能來思考如何研發出未來的電子裝置。」她描述了人類的皮膚是多麼有彈性,而且還可自己癒合和被生物分解,這些都將會是未來電子產品的特徵。「我們已經達成了前兩個目標(彈性高和可自癒性),而可被生物分解這個特徵目前正是我們著沒的點。

這個團隊發明了一個具彈性的電子儀裝置,只要加一點酸性物質,像是醋,就可以把它分解。這個結果於5月1日發表於美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)

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鲍哲楠的同事,雷霆(Ting Lei)說:「這是第一個可以被壓縮的半導體聚合物。」

除了聚合物外(特別是有彈性和傳導性的塑膠),他們還研發了可被分解的電路和可被生物分解的基質當作電子零件。這些基質支撐電子零件,且不斷地延展和塑型,使它的表面從粗糙變平滑。

可被生物分解的貼片

鲍哲楠之前就以人類皮膚為模型發明了一個可延展的電極。那個物質是可彎曲的,能夠影響皮膚和頭腦但是無法被分解。因此,無法變成可植入的裝置,而且造成了浪費。

鲍哲楠認為對傳統高分子化學技術來說,要發明一個堅固的物質,又要顧及它有良好的電傳導性,還要可以被生物分解是非常有挑戰性的。她說:「我們已經嘗試去想要如何達到極佳的電子化學性質也要可以被生物分解。」

最後,他們發現藉由扭曲有彈性物質的化學結構它就可以在輕微的壓力下分裂。鲍哲楠說:「我們有個想法,就是藉由一種特別的化學鍵,它可以確保電子流暢地在分子間互通有無,來自造出分子。不過,這個化學鍵對弱酸非常的敏感,甚至比純醋還弱。」這個實驗結果就是這個物質能夠攜帶電子訊息,但是很容易就被破壞。

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這個有彈性的半導體可以附著在平滑或粗糙的表面而且可以被分解成無毒產品。來源:鲍哲楠實驗室

除了可被生物分解的聚合物外,他們研發出了新型的電子零件和可附著於電子零件上的基質。電子零件通常是用黃金做成,但是這個零件是用鐵做成的。鲍哲楠聲明鐵是非常環保的而且對人類也無害。

他們藉由纖維素創造了可以攜帶電子和聚合物的基質。纖維素也就是造紙的材料,但是不同於紙,他們改變了纖維素的結構,所以這個類似紙的東西是透明的有彈性的,但還是容易破掉。這層薄薄的基質能夠讓電子戴在皮膚上甚至植入身體裡面。

從移植到植入

結合可被生物分解又具傳導性的聚合物和基質使電子裝置在多重設置方面非常有用,從穿戴式電子到大規模的環境調查所需用到的灰塵感應器。

鲍哲楠說:「我們期望柔軟的貼片非常的薄而且不會讓皮膚不舒服,然後用來測量血壓、葡萄糖和汗液。」我們可以帶著這特殊設計的貼片一整天或一整周,然後再下載這些資料。根據鲍哲楠的說法,這種短期使用且可丟棄的電子儀器對於可分解和有彈性的設計來說,是個不錯的例子。」

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這不僅僅是皮膚調查而已:這些可被生物分解的基質、聚合物、鐵電極讓整個電子零件可以符合人體並且注射進人體。此種聚合物分裂產生的濃縮物比飲用水還低。雖然此種聚合物被發現是適合生物的,鲍哲楠還是說這還需要經過更仔細的研究才行。

可被生物分解的電子能夠蒐集人類心臟病和葡萄糖的資料。這些零件可以用在那些涵蓋大範圍或者偏遠地區的調查。雷霆描述了一個研究案子,當可被生物分解的電子負載在飛機上橫跨森林來調查整片土地。他說:「對人來說,要在這麼大的範圍散播感應器並且全部收集回來是非常困難的。我們又不想要汙染環境所以必須要用可以被分解的東西,因為要這些感應器要被生物分解,所以我們不能用塑膠製的物品。」

隨著電子產品的增加,可被生物分解性也變得越來越重要。雷霆對於他們的進步和持續進步的表現非常興奮。他說:「現今成千上萬的電腦和手機等電子產品在市面上,它們都是很難被分解的。我們希望可以發明一些可以被分解的物質來減少浪費。」

其他的在上項研究上的作者包刮,來自史丹佛大學的Ming Guan, Jia Liu, Hung-Chen Lin, Rphapel Pfattner, Leo Shaw, Allister McGuire和Jeffery Tok,還有來自Hwelett Pa的Tsung-Ching Hung。

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