天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)：世界首款能溶于水的智能手表問世，采用3D打印可降解聚合物盒

來源：學(xué)術(shù)頭條

眾所周知，東京奧運(yùn)會(huì)的獎(jiǎng)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(bào)廢、不再使用的工業(yè)或民用電子電氣設(shè)備，比如廢棄的手機(jī)、冰箱等“電子垃圾”。據(jù)小日…...子過得很好的日本官方表示，出于環(huán)保理念，他們?cè)缭?2017 年就開始回收本國(guó)的電子垃圾，最終從 8 萬噸舊家電、620 萬部舊手機(jī)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(shù)的快速發(fā)展，全球消費(fèi)電子產(chǎn)品銷售額呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2019 年達(dá)到 1.032 億美元，每年產(chǎn)生超過 5360 萬噸的電子垃圾。

而隨之而來的消費(fèi)電子產(chǎn)品的回收成為一個(gè)棘手的問題，在電子產(chǎn)品的回收過程中，有大量的電子產(chǎn)品經(jīng)過了粗糙和過于簡(jiǎn)化的處理，比如人工拆解、露天焚燒和酸浸等，因而產(chǎn)生了多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯、聚氯乙烯、鉛、鎘和汞等有害物質(zhì)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和健康問題。近日，基于“電子產(chǎn)品環(huán)保易回收“的理念，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系黃顯教授團(tuán)隊(duì) 研發(fā)出了一種可用于可溶解消費(fèi)電子產(chǎn)品引線互連的室溫水燒結(jié)納米復(fù)合材料，并 開發(fā)出了世界上第一款可溶解智能手表。

圖｜世界上第一款可溶解電子手表（來源：黃顯教授團(tuán)隊(duì)）

該手表和傳統(tǒng)的智能手表一樣，具有傳感器，可以精確測(cè)量心率、血氧水平和步數(shù)，并通過藍(lán)牙連接將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)應(yīng)用程序；有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）屏幕還可以顯示相關(guān)手機(jī)的日期、時(shí)間和消息，以及監(jiān)測(cè)到的佩戴者生命體征等數(shù)據(jù)。

圖｜支持來電顯示

圖｜支持藍(lán)牙連接

圖｜支持顯示文字和表情

相關(guān)研究論文以“Water-Sintered TransientNanocomposites Used as Electrical Interconnects for Dissolvable ConsumerElectronics”為題，發(fā)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(duì)此，黃顯教授團(tuán)隊(duì)告訴學(xué)術(shù)頭條，他們提出的這種解決方法可以 實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品無污染化的快速回收 ，只需要將廢棄的電子產(chǎn)品丟入水中，即可在幾天之內(nèi)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(shí)上，我們看到的世界上第一款可溶解智能手表，是一種瞬態(tài)電子器件。 那什么是瞬態(tài)電子器件？其對(duì)環(huán)保的意義又是什么？2012 年，John Rogers 等人在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表的“A Physically Transient Form ofSilicon Electronics”論文中，首次提出了 “瞬態(tài)電子器件” 這一全新概念。瞬態(tài)電子器件是指，當(dāng)電子功能器件在實(shí)現(xiàn)指定功能或完成某項(xiàng)任務(wù)后，其物理形態(tài)和功能可以在外界刺激觸發(fā)下，發(fā)生部分自毀消失或者完全自毀消失的一種電子器件。（像極了神話故事里神仙們的法器，要打架時(shí)，法器出現(xiàn)在手里，打完架后，法器就消失不見了。只不過各路神仙的法器是“一輩子拋”，這款手表是“想啥時(shí)候拋啥時(shí)候拋”。）基于上述定義，科學(xué)家們認(rèn)為瞬態(tài)電子產(chǎn)品應(yīng)該具備以下 3 個(gè)特征： 1、與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品有相同的穩(wěn)定性和可靠性；2、實(shí)現(xiàn)各種功能轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)特征；3、其使用壽命是預(yù)先設(shè)置和實(shí)時(shí)可控的。當(dāng)前，大多數(shù)瞬態(tài)導(dǎo)電油墨都需要通過光脈沖或者激光燒結(jié)實(shí)現(xiàn)油墨導(dǎo)電性能的提升，但是這些方法需要昂貴的儀器設(shè)備以及苛刻的燒結(jié)環(huán)境。為解決這一問題，黃顯教授團(tuán)隊(duì)通過向油墨中引入酸酐，實(shí)現(xiàn)了油墨在室溫下的水燒結(jié) ，這一突破大大降低了燒結(jié)成本。具體而言，他們利用酸酐遇水產(chǎn)生弱酸的特性，結(jié)合局部電化學(xué)腐蝕以及飽和金屬離子再沉積的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了銀鋅納米復(fù)合材料在室溫環(huán)境下的溫和燒結(jié)，燒結(jié)后的瞬態(tài)電子可溶性材料保持了與常規(guī)銀導(dǎo)電材料相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電特性。

圖｜燒結(jié)機(jī)理：酸酐遇水產(chǎn)生弱酸，結(jié)合局部電化學(xué)腐蝕及飽和離子再沉積效應(yīng)實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合材料的燒結(jié)。（來源：該論文）

而且，在以往的研究中，通過絲網(wǎng)印刷的方法印刷的電路都是單面印刷，實(shí)現(xiàn)的功能都比較簡(jiǎn)單，而對(duì)智能手表來言，如果使用單面印刷會(huì)嚴(yán)重限制互連引線的走線設(shè)計(jì)，無法做到在有限空間實(shí)現(xiàn)更多的功能。針對(duì)這一問題，黃顯教授團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在可降解基板上的雙面印刷，通過校準(zhǔn)符號(hào)保證位置的準(zhǔn)確性。使用鉆孔機(jī)在基板上打通過孔，在過孔內(nèi)滴加油墨實(shí)現(xiàn)了雙面引線的互連，大大縮小了占用空間�；�于以上工作，研究人員在 3D 打印的可降解聚合物盒內(nèi)制造了一種 帶有多個(gè)銀鋅納米復(fù)合物的智能手表，并帶有印刷電路板。 至此， 第一款瞬態(tài)消費(fèi)電子產(chǎn)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(tài)納米復(fù)合材料的可溶性智能手表和水燒結(jié)示意圖；B. 基于雙金屬瞬態(tài)納米復(fù)合材料的全印刷瞬態(tài)智能手表圖像; C. 多組瞬態(tài)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(tài)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(jī)材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，盡管納米復(fù)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(guó)生態(tài)環(huán)境部規(guī)定以及世界衛(wèi)生組織發(fā)布的安全指南要求。” 黃顯教授團(tuán)隊(duì)表示。對(duì)于上述制備智能手表的材料，黃顯教授團(tuán)隊(duì)表示：“大多數(shù)可生物可解電子設(shè)備都是使用互補(bǔ)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）工藝制造的，這些工藝非常耗時(shí)，需要許多特殊工藝。相比之下，用這些納米復(fù)合材料制造的設(shè)備可以通過印刷獲得大規(guī)模生產(chǎn)，成本和能量要低得多，產(chǎn)量也要高得多，這表明它們很容易被納入現(xiàn)有的電路生產(chǎn)線。”但是，由于印刷精度上的限制，當(dāng)前制作的可溶性電子產(chǎn)品在尺寸和功能全面性上，距離市面上的成熟電子產(chǎn)品還有很大差距�！暗�這項(xiàng)研究仍然為未來解決電子垃圾提供了一個(gè)全新思路。未來我們也將進(jìn)一步優(yōu)化納米復(fù)合材料的導(dǎo)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(huán)保又“產(chǎn)金”

在此次研究中，當(dāng)這款智能手表被完全浸入水中時(shí)，其外殼和電路會(huì)在 40 小時(shí)內(nèi)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(shè)備將不需要通過手工拆解、化學(xué)腐蝕等方法回收，只需要將廢棄的電子產(chǎn)品丟入水中，即可在幾天之內(nèi)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(tài)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(qǐng)放心，汗水并不能溶解它。

圖 | 智能手表在遇水后仍能夠繼續(xù)工作而不會(huì)出現(xiàn)故障，這表明它對(duì)濕度有一定的耐受性（來源：該論文）

另外，這種電子產(chǎn)品/組件回收的意義不僅在于可以保護(hù)環(huán)境，還能“產(chǎn)金子”。有報(bào)告指出，每噸線路板和手機(jī)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(shí)，電子垃圾中還含有大量其他高價(jià)值的稀有金屬材料，銀、白金、鈷、銦等。

（或許大家可以考慮改行去收垃圾了）

然而，面對(duì)具有如此高回收價(jià)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(chǎn)品為解決電子垃圾和芯片回收提供了一個(gè)全新的思路。此外，黃顯教授團(tuán)隊(duì)還通過對(duì)這種電子設(shè)備材料開展細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，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(jī)電性能，這就意味著它們可以溶解在體內(nèi)。黃顯教授團(tuán)隊(duì)表示，“它們可能導(dǎo)致可打印和植入設(shè)備在完成功能后可能消失在人體中�！� 也就是說，這種電子設(shè)備有望進(jìn)一步用于植入器件和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

未來可期

早在 2019 年，黃顯教授團(tuán)隊(duì)就成功研發(fā)了“水致燒結(jié)”柔性電子印刷術(shù)，這種技術(shù)為可溶性瞬態(tài)電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為生物可植入可降解設(shè)備的發(fā)展提供了思路。當(dāng)前，黃顯教授團(tuán)隊(duì)正與國(guó)內(nèi)高校開展學(xué)術(shù)上的相關(guān)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(jī)理等方面。此外，黃顯教授團(tuán)向?qū)W術(shù)頭條透露，他們近期正在利用油墨和燒結(jié)技術(shù)制備各種生物醫(yī)學(xué)器件，包括輔助創(chuàng)傷愈合和進(jìn)行植入式電化學(xué)測(cè)量的器件。未來 3-5 年主要是進(jìn)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(shù)，提高印刷精度和可以制備的器件的種類，最終實(shí)現(xiàn)全部可溶解的復(fù)雜系統(tǒng)。

參考資料：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c07102

https://spectrum.ieee.org/the-world-s-first-dissolvable-smartwatchhttp://bfe.tju.edu.cn/index.html

https://science.sciencemag.org/content/337/6102/1640

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5b04931