近日，来自杜克大学的研究者研发出可完全回收的印刷电子器件。通过展示用三种碳基油墨制造的晶体管，研究人员希望激发新一代可回收的电子产品，以帮助对抗日益增长的全球电子垃圾问题。
这项研究，以论文形式于 4 月 26 日在线发表在《自然・电子学》（Nature Electronics）期刊上。
图 | 完全可回收的印刷晶体管的 3D 效果图（来源：杜克大学）杜克大学电子和计算机工程系阿迪教授亚伦・富兰克林说（ Aaron Franklin）：“基于硅的计算机组件可能永远不会消失，我们不指望像我们研究的这种易回收的电子产品能够取代已经广泛使用的技术和设备。但我们希望，通过创造新的、完全可回收的、容易打印的电子器件，并展示它们的功能，它们可能会在未来的应用中得到广泛使用。”
随着世界各地的人们在生活中使用越来越多的电子产品，全球已经有超过 200 亿个相互连接的电子设备，而且这个数字正在迅速增长，随之而来的是不断增长的废弃设备。
这些设备要么坏了，不能再使用，要么已经被弃用，换成了新的产品。根据联合国的估计，每年被丢弃的数千万磅电子产品中，每年被扔掉的电子产品中只有不到四分之一被回收。而且，随着全球从 4G 过渡到 5G，以及物联网设备（IoT）的日益增多，这个问题只会变得更糟。
造成这个现象的一个原因在于，电子设备难以回收。电子垃圾中有一半是普通消费者的电子产品，不少人习惯频繁更换电子设备，产生大量电子垃圾。
也有企业看到了其中的商业潜力，建立大型工厂，雇用了成百上千的工人，对笨重的设备进行拆解，提取电子垃圾内的贵重金属，“变废为宝”，既保护了环境，又可赚取利润。然而，电子垃圾中的铜、铝和钢等金属可以回收，但核心的硅芯片却不能被回收。
图 | 绝缘纤维素被印在其他碳基部件上，以生产第一个完全可回收的印刷晶体管。研究人员希望激发新一代可回收的电子产品，以帮助对抗日益严重的全球电子垃圾问题（来源：杜克大学）开辟了可回收之路
在这项新的研究中，杜克大学的实验室展示了一种完全可回收、完全可用的晶体管，这种晶体管由三种碳基油墨制成，能够比较容易地打印在纸张或其他柔韧、环保材质的表面上。
碳纳米管用于半导体，石墨烯油墨用于导体。高效可靠的生产工艺使纸质电子印刷在经济上具有竞争力，并在生产、贸易和物流方面有广泛的应用。
此外，纸质印刷电子产品在节省资源、气候和环境方面，比传统的智能电子元件基板和制造工艺具有显著优势。
研究人员表示，虽然这些材料在印刷电子界并不是什么新发现，但因为这种名为纳米纤维素的木材衍生的绝缘电介质墨水的发展，开辟了新的可回收的道路。
纳米纤维素，是纤维素纤维经处理得到的纳米尺度的产物，纳米纤维素既具有纤维素的生理特性，也具有纳米颗粒的理化特性，纳米纤维素在复合材料、生物医学、食品行业等领域都得到了广泛的应用。
研究人员表示，这种纳米纤维素是可生物降解的，常年用于包装等产品中。包装市场和电子工业都在发展。小型化和廉价的电子标签可以监控运输和物流，或者提供关于产品原产地和真实性的信息。
虽然人们早就意识到纳米纤维素可以最为绝缘体，应用在电子产品中，但此前没有人想到可以将其用于可打印的墨水，而这种墨水是使完全回收这些设备的关键之一。
研究人员开发了一种悬浮纳米纤维素晶体的方法，纳米纤维素是从木质纤维中提取而来，再加上一点普通食盐，就能制作一种墨水，这种墨水在打印晶体管时，绝缘性能非常好。
该团队在室温下将这三种墨水用于气溶胶喷射打印机，表明这种全碳晶体管性能良好，可以用于各种应用场景，甚至在打印六个月后也是如此。
该团队还展示了他们的设计如何回收。通过将他们的设备浸泡在一系列浴池中，用声波轻轻地振动，让溶液产生离心力，碳纳米管和石墨烯被依次回收，平均回收量接近 100%。
回收的碳纳米管和石墨烯材料可以在下一次印刷过程中重复使用，几乎不损失其性能。而且纳米纤维素是由木材制成的，所以可以直接与印刷用的纸张一起被回收。
图 | 杜克大学展示了一种由完全可回收的印刷电子器件制成的生物传感器。接近 100% 地回收了原材料，而且材料的性能损失极低（来源：杜克大学）有望启发新的电子产品发展方向
相较于电阻器或电容器，晶体管是一种相对复杂的计算机元件，主要用于电源控制、逻辑电路和各种传感器等设备。
研究人员解释说，通过首先展示一个完全可回收的全功能印刷晶体管，他希望为该技术在简单设备上的商业化迈出第一步。
例如，可以想象该技术被用于一栋需要数以千计的简单环境传感器来监测其能源使用的大型建筑，或用于跟踪医疗状况的定制生物感应贴片。
富兰克林说：“像这样的可回收电子产品无论如何也不会取代整个 5 万亿美元的产业，而且我们肯定离打印可回收的计算机处理器还很遥远。但展示这些类型的新材料及其功能，希望是朝着新型电子产品生命周期的正确方向迈出的一步”。
该研究得到了美国国防部国会指导医学研究计划、美国国立卫生研究院和空军科学研究办公室的支持。
