天津大學團隊研發首款可溶于水的智能手表，未來還會有新突破
世界上第一款可溶解電子手表，來源：黃顯教授團隊
文丨學術頭條，作者丨郝景，編審丨寇建超
眾所周知，東京奧運會的獎牌是由“垃圾”制成的。
這里的垃圾并不是指那些臭氣熏天、周圍小蟲子亂飛的垃圾，而是指一些已報廢、不再使用的工業或民用電子電氣設備，比如廢棄的手機、冰箱等“電子垃圾”。
據日本官方表示，出于環保理念，他們早在 2017 年就開始回收本國的電子垃圾，最終從 8 萬噸舊家電、620 萬部舊手機中提取出了 32 公斤黃金、3.5 噸白銀和 2.2 噸黃銅。
近年來，隨著電子技術的快速發展，全球消費電子產品銷售額呈現出爆炸式增長的趨勢，2019 年達到 1.032 億美元，每年產生超過 5360 萬噸的電子垃圾。
而隨之而來的消費電子產品的回收成為一個棘手的問題，在電子產品的回收過程中，有大量的電子產品經過了粗糙和過于簡化的處理，比如人工拆解、露天焚燒和酸浸等，因而產生了多氯聯苯、多溴聯苯、聚氯乙烯、鉛、鎘和汞等有害物質，造成了嚴重的環境污染和健康問題。
近日，基于“電子產品環保易回收“的理念，天津大學精密儀器與光電子工程學院生物醫學工程系黃顯教授團隊研發出了一種可用于可溶解消費電子產品引線互連的室溫水燒結納米復合材料，并開發出了世界上第一款可溶解智能手表。
該手表和傳統的智能手表一樣，具有傳感器，可以精確測量心率、血氧水平和步數，并通過藍牙連接將這些數據傳輸到手機應用程序；有機發光二極管（OLED）屏幕還可以顯示相關手機的日期、時間和消息，以及監測到的佩戴者生命體征等數據。
圖｜支持來電顯示
圖｜支持藍牙連接
圖｜支持顯示文字和表情
相關研究論文以“Water-Sintered Transient Nanocomposites Used as Electrical Interconnects for Dissolvable Consumer Electronics”為題，發表在“ACS Applied Materials & Interfaces”上。黃顯教授為論文的通訊作者。
來源：ACS Applied Materials & Interfaces
對此，黃顯教授團隊告訴學術頭條，他們提出的這種解決方法可以實現電子產品無污染化的快速回收，只需要將廢棄的電子產品丟入水中，即可在幾天之內降解，其中的芯片等元器件仍然可以回收使用，既沒有污染又能增加電子元器件的利用率。
首款可溶解電子手表的“前世今生”
事實上，我們看到的世界上第一款可溶解智能手表，是一種瞬態電子器件。
那什么是瞬態電子器件？其對環保的意義又是什么？
2012 年，John Rogers 等人在權威學術期刊 Science 上發表的“A Physically Transient Form of Silicon Electronics”論文中，首次提出了“瞬態電子器件”這一全新概念。
瞬態電子器件是指，當電子功能器件在實現指定功能或完成某項任務后，其物理形態和功能可以在外界刺激觸發下，發生部分自毀消失或者完全自毀消失的一種電子器件。
基于上述定義，科學家們認為瞬態電子產品應該具備以下 3 個特征：
- 與傳統電子產品有相同的穩定性和可靠性；
- 實現各種功能轉換的瞬態特征；
- 其使用壽命是預先設置和實時可控的。
當前，大多數瞬態導電油墨都需要通過光脈沖或者激光燒結實現油墨導電性能的提升，但是這些方法需要昂貴的儀器設備以及苛刻的燒結環境。
為解決這一問題，黃顯教授團隊通過向油墨中引入酸酐，實現了油墨在室溫下的水燒結，這一突破大大降低了燒結成本。
具體而言，他們利用酸酐遇水產生弱酸的特性，結合局部電化學腐蝕以及飽和金屬離子再沉積的效應實現了銀鋅納米復合材料在室溫環境下的溫和燒結，燒結后的瞬態電子可溶性材料保持了與常規銀導電材料相當的導電特性。
圖｜燒結機理：酸酐遇水產生弱酸，結合局部電化學腐蝕及飽和離子再沉積效應實現納米復合材料的燒結。來源：該論文
而且，在以往的研究中，通過絲網印刷的方法印刷的電路都是單面印刷，實現的功能都比較簡單，而對智能手表來言，如果使用單面印刷會嚴重限制互連引線的走線設計，無法做到在有限空間實現更多的功能。
針對這一問題，黃顯教授團隊首次實現了在可降解基板上的雙面印刷，通過校準符號保證位置的準確性。使用鉆孔機在基板上打通過孔，在過孔內滴加油墨實現了雙面引線的互連，大大縮小了占用空間。
基于以上工作，研究人員在 3D 打印的可降解聚合物盒內制造了一種帶有多個銀鋅納米復合物的智能手表，并帶有印刷電路板。
至此，第一款瞬態消費電子產品“可溶解電子手表”就成功問世了。
圖｜A. 智能手表的概念和演示 , 雙金屬瞬態納米復合材料的可溶性智能手表和水燒結示意圖；B. 基于雙金屬瞬態納米復合材料的全印刷瞬態智能手表圖像; C. 多組瞬態印刷電路板包含不同的組件；D. 手腕上的智能手表圖像。來源：該論文
“目前許多研究表明金屬鋅是一種良好的瞬態金屬材料和生物可吸收材料，使用的 PVA 基底也是一種良好的生物可吸收有機材料，不會對環境造成二次污染，盡管納米復合材料中還存在極少量的銀納米線不能溶于水，但是其含量符合我國生態環境部規定以及世界衛生組織發布的安全指南要求。” 黃顯教授團隊表示。
對于上述制備智能手表的材料，黃顯教授團隊表示：“大多數可生物可解電子設備都是使用互補的金屬-氧化物-半導體（CMOS）工藝制造的，這些工藝非常耗時，需要許多特殊工藝。相比之下，用這些納米復合材料制造的設備可以通過印刷獲得大規模生產，成本和能量要低得多，產量也要高得多，這表明它們很容易被納入現有的電路生產線。”
但是，由于印刷精度上的限制，當前制作的可溶性電子產品在尺寸和功能全面性上，距離市面上的成熟電子產品還有很大差距。
“但這項研究仍然為未來解決電子垃圾提供了一個全新思路。未來我們也將進一步優化納米復合材料的導電性能以及印刷精度，豐富手表的功能，縮小與成熟智能手表的差距。”
既環保又“產金”
在此次研究中，當這款智能手表被完全浸入水中時，其外殼和電路會在 40 小時內完全溶解，而遺留下來的僅是手表的組件，比如 OLED 屏幕和微控制器，以及電阻器和電容器。
換言之，這種廢棄的電子設備將不需要通過手工拆解、化學腐蝕等方法回收，只需要將廢棄的電子產品丟入水中，即可在幾天之內降解，其中的芯片等元器件仍然可以回收使用，既沒有污染又增加了電子元器件的利用率。
圖｜a. 瞬態印刷電路溶解過程的圖像；b. 智能手表溶解過程的圖像。來源：該論文
但請放心，汗水并不能溶解它。
圖 | 智能手表在遇水后仍能夠繼續工作而不會出現故障，這表明它對濕度有一定的耐受性。來源：該論文
另外，這種電子產品/組件回收的意義不僅在于可以保護環境，還能“產金子”。
有報告指出，每噸線路板和手機分別含黃金量大概是 200g 和 300g 左右，而金礦的平均品位只有每噸 5g，這就說明，電子垃圾的含金量是金礦石的 40-60 倍。同時，電子垃圾中還含有大量其他高價值的稀有金屬材料，銀、白金、鈷、銦等。
然而，面對具有如此高回收價值的電子垃圾，至 2019 年為止，其回收率卻僅有 2%。回收率低的主要原因在于電子垃圾的回收成本高、回收困難等。
毋庸置疑，這種可溶解的電子產品為解決電子垃圾和芯片回收提供了一個全新的思路。
此外，黃顯教授團隊還通過對這種電子設備材料開展細胞毒性實驗，證明了該材料具有良好的生物相容性，并顯示出比其他可生物降解水墨更好的機電性能，這就意味著它們可以溶解在體內。
黃顯教授團隊表示，“它們可能導致可打印和植入設備在完成功能后可能消失在人體中。” 也就是說，這種電子設備有望進一步用于植入器件和生物醫學應用。
未來可期
早在 2019 年，黃顯教授團隊就成功研發了“水致燒結”柔性電子印刷術，這種技術為可溶性瞬態電子產品奠定了基礎，同時也為生物可植入可降解設備的發展提供了思路。
當前，黃顯教授團隊正與國內高校開展學術上的相關合作，比如在新的可溶性基底的材料、可溶性基底的改造、各類可溶性油墨的機理等方面。
此外，黃顯教授團向學術頭條透露，他們近期正在利用油墨和燒結技術制備各種生物醫學器件，包括輔助創傷愈合和進行植入式電化學測量的器件。未來 3-5 年主要是進一步完善可用于生物可吸收和可降解器件印刷的材料和處理技術，提高印刷精度和可以制備的器件的種類，最終實現全部可溶解的復雜系統。
參考資料：
- https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c07102
- https://spectrum.ieee.org/the-world-s-first-dissolvable-smartwatch
- http://bfe.tju.edu.cn/index.html
- https://science.sciencemag.org/content/337/6102/1640
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5b04931
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