研究人员展示了完全可回收的印刷电子产品

杜克大学的工程师开发了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品。通过展示一个关键且相对复杂的计算机组件——晶体管——由三种碳基墨水制成，研究人员希望激发新一代可回收电子产品的灵感，以帮助对抗日益严重的全球电子垃圾流行病。

这项工作于 4 月 26 日在线发表在Nature Electronics杂志上。

“基于硅的计算机组件可能永远不会消失，我们不希望像我们这样易于回收的电子产品取代已经广泛使用的技术和设备，”杜克大学电气和计算机工程的 Addy 教授亚伦富兰克林说. “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的功能，它们可能会在未来的应用中得到广泛应用。”

随着世界各地的人们在他们的生活中采用越来越多的电子产品，越来越多的废弃设备要么不再工作，要么被丢弃以支持更新的型号。据联合国估计，每年被丢弃的数百万磅电子产品中，只有不到四分之一被回收利用。随着世界升级到 5G 设备和物联网 (IoT) 的不断扩展，问题只会变得更糟。

部分问题在于电子设备难以回收。大型工厂雇佣了数百名攻击笨重设备的工人。但是，虽然铜、铝和钢的废料可以回收利用，但设备核心的硅芯片却不能。

在这项新研究中，富兰克林和他的实验室展示了一种完全可回收、功能齐全的晶体管，由三种碳基墨水制成，可以轻松打印到纸张或其他灵活、环保的表面上。碳纳米管和石墨烯墨水分别用于半导体和导体。富兰克林说，虽然这些材料对印刷电子领域并不陌生，但随着一种名为纳米纤维素的木质绝缘绝缘油墨的开发，可回收性的道路已经打开。

“纳米纤维素是可生物降解的，多年来一直用于包装等应用，”富兰克林说。“虽然人们早就知道它作为电子绝缘体的潜在应用，但之前没有人想出如何在可印刷油墨中使用它。这是使这些完全可回收设备发挥作用的关键之一。”

研究人员开发了一种悬浮从木纤维中提取的纳米纤维素晶体的方法——撒上一点食盐——产生一种墨水，在他们的印刷晶体管中作为绝缘体表现出色。在室温下在气溶胶喷射打印机中使用这三种墨水，该团队表明他们的全碳晶体管性能足够好，可以用于各种应用，甚至在初始打印六个月后也是如此。

然后，该团队展示了他们的设计是如何可回收的。通过将他们的设备浸入一系列浴槽中，用声波轻轻振动它们并离心所得溶液，碳纳米管和石墨烯依次回收，平均产率接近 100%。然后，这两种材料都可以在同一个打印过程中重复使用，同时几乎不会损失其性能可行性。而且由于纳米纤维素是由木材制成的，因此可以简单地与印刷纸张一起回收利用。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机组件，用于电源控制或逻辑电路和各种传感器等设备。富兰克林解释说，通过首先展示一种完全可回收的多功能印刷晶体管，他希望朝着用于简单设备的商业化技术迈出第一步。例如，富兰克林说，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控其能源使用情况，或者需要定制的生物传感贴片来跟踪医疗状况。

富兰克林说：“像这样的可回收电子产品无论如何都不会消失并取代整个价值 50 亿美元的产业，而且我们肯定离打印可回收的计算机处理器还很远。” “但展示这些类型的新材料及其功能有望成为新型电子产品生命周期正确方向的垫脚石。”

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