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杜克大学工程师们已经开发出了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品

2021-04-27 08:22 · 稿源:cnbeta

杜克大学的工程师们已经开发出了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品。通过展示用三种碳基油墨创造的关键和相对复杂的计算机组件晶体管,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废物流行病。

这项工作今天(2021年4月26日)在线发表在《自然-电子》杂志上。杜克大学电子和计算机工程系阿迪教授亚伦-富兰克林说:"基于硅的电脑组件可能永远不会消失,我们不指望容易回收的电子产品能够取代已经被广泛使用的技术和设备。但是我们希望,通过创造新的、完全可回收的、容易印刷的电子产品,并展示它们能做什么,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他们的生活中采用更多的电子产品,有一堆不断增长的废弃设备,这些设备要么不能再使用,要么已经被丢弃以支持更新的型号。根据联合国的估计,每年被扔掉的数百万磅电子产品中,只有不到四分之一被回收。而且,随着世界升级到5G设备和物联网(IoT)的不断扩大,这个问题只会变得更糟。虽然铜、铝和钢的碎片可以被回收,但作为设备核心的硅芯片却不能。

在新的研究中,富兰克林和他的实验室展示了一种完全可回收的、功能齐全的晶体管,它由三种碳基油墨制成,可以很容易地打印在纸或其他灵活、环保的表面上。碳纳米管和石墨烯油墨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世界来说并不新鲜,但随着一种名为纳米纤维素的木材衍生绝缘电介质墨水的开发,可回收性的道路被打开了。

研究人员测试了一个由完全可回收的印刷电子产品制成的生物传感器。回收过程几乎100%地回收了所使用的材料,而且这些材料的性能损失很小。纳米纤维素是可生物降解的,多年来一直被用于包装等应用,虽然人们早就知道它作为绝缘体在电子产品中的潜在应用,但之前没有人想出如何将其用于可打印墨水。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纳米纤维素晶体的方法,这些纳米纤维素是从木质纤维中提取出来的,再撒上一点食盐,就会产生一种墨水,在他们的印刷晶体管中作为绝缘体表现得非常出色。在室温下使用这三种墨水的气溶胶打印机,该团队显示,他们的全碳晶体管性能良好,足以用于各种应用,甚至在最初打印的六个月后。

该团队随后展示了他们的设计是多么的可回收。通过将他们的设备浸泡在一系列浴池中,用声波轻轻地振动它们,并将产生的溶液离心,碳纳米管和石墨烯被依次回收,平均产量接近100%。然后,这两种材料可以在同一印刷过程中重复使用,而几乎不损失其性能的可行性。而且,由于纳米纤维素是由木材制成的,它可以简单地与它所印刷的纸张一起被回收。

与电阻器或电容器相比,晶体管是一种相对复杂的计算机元件,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,通过首先展示一个完全可回收的多功能印刷晶体管,他希望为该技术在简单设备上的商业化迈出第一步。

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