中國(guó)科大研發(fā)可閉環(huán)生物回收的介電薄膜

作者：集小微 07-31 15:28

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) #中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)#

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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種可閉環(huán)生物回收的纖維素基介電薄膜，能夠提高電子器件的循環(huán)利用率，從而減少電子廢棄物。相關(guān)研究成果以“Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics”為題于7月28日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Sustainability》上。

電子廢棄物正以驚人的速度增長(zhǎng)，其對(duì)環(huán)境和人類健康的負(fù)面影響已引發(fā)廣泛關(guān)注。為塑造電子產(chǎn)品的可持續(xù)未來(lái)，可回收電子器件因其更低的環(huán)境足跡而極大地吸引了研究人員的興趣。然而，由于組分的多樣性與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可回收電子器件仍面臨部分組件被丟棄、能耗較高以及材料質(zhì)量受損等問(wèn)題。閉環(huán)回收，特征是在回收過(guò)程中不損害材料質(zhì)量，對(duì)于減輕嚴(yán)峻的全球環(huán)境負(fù)擔(dān)和建立循環(huán)材料經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。目前，在部分塑料的閉環(huán)回收方面已有一些成功的嘗試，但這些方法大多基于化學(xué)過(guò)程（如酸水解和動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)），存在高能耗或需使用苛刻化學(xué)品的問(wèn)題。相比之下，生物技術(shù)憑借其固有的選擇性和溫和的工作條件等優(yōu)勢(shì)，為解決這些問(wèn)題提供了潛在的替代方案，值得更多關(guān)注。然而，設(shè)計(jì)可閉環(huán)生物回收的材料對(duì)生物制造、生物解構(gòu)以及兩者之間的兼容性提出了很高的要求。

本項(xiàng)研究將團(tuán)隊(duì)發(fā)展的被稱為“氣溶膠輔助生物合成”的一種新興生物制造策略與特異性的酶降解過(guò)程相結(jié)合，成功設(shè)計(jì)并制備出具有閉環(huán)生物可回收的纖維素基復(fù)合介電薄膜（圖1）。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的氣溶膠輔助生物合成法是一種通用且可擴(kuò)展的策略，可將葡萄糖單體和功能構(gòu)筑單元加工成纖維素基功能復(fù)合材料。同時(shí)，纖維素酶水解是一項(xiàng)成熟技術(shù)，能特異性地將纖維素解聚為葡萄糖，且不影響其他組分。上述兩種生物過(guò)程足夠溫和，無(wú)需高溫高壓或使用有毒化學(xué)品，即可完成“原料－產(chǎn)品－廢棄物”的閉環(huán)循環(huán)。

圖1.可閉環(huán)生物回收的纖維素基介電薄膜

得益于氣溶膠輔助生物合成法及基于此的三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2a-c），所獲得的細(xì)菌纖維素/玻璃微珠復(fù)合介電薄膜展現(xiàn)出高拉伸強(qiáng)度和楊氏模量、低介電常數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、良好柔韌性以及表面光滑等特性。該纖維素基介電薄膜的介電常數(shù)低于目前已報(bào)道的各種有機(jī)－無(wú)機(jī)復(fù)合介電材料（圖2d,e）。人工干預(yù)下的細(xì)菌自發(fā)生命活動(dòng)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的高孔隙率結(jié)構(gòu)的制備，密堆積的玻璃微珠內(nèi)部以及之間的空氣對(duì)復(fù)合材料的性能提升起到重要的作用。因具有優(yōu)異的綜合性能結(jié)合閉環(huán)生物可回收性，這種纖維素基介電薄膜在可持續(xù)電子器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，如基于纖維素基介電薄膜加工的電子器件的信號(hào)傳輸損耗顯著低于商用的環(huán)氧樹(shù)脂基底（圖2f）。有關(guān)成本和生命周期評(píng)估分析表明，與商用介電薄膜相比，這種生物制造的纖維素介電薄膜成本與其相當(dāng)，但在人類健康和自然資源方面顯著降低了對(duì)環(huán)境的影響（圖2g）。這種結(jié)合氣溶膠輔助生物合成和酶降解的閉環(huán)生物回收策略，對(duì)開(kāi)發(fā)下一代可持續(xù)電子材料和電子器件具有重要的指導(dǎo)意義。