【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學俞書宏院士團隊成功開發出一種可閉環生物回收的纖維素基介電薄膜，能夠提高電子器件的循環利用率，從而減少電子廢棄物。相關研究成果以“Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics”為題于7月28日發表在國際學術期刊《Nature Sustainability》上。
電子廢棄物正以驚人的速度增長，其對環境和人類健康的負面影響已引發廣泛關注。為塑造電子產品的可持續未來，可回收電子器件因其更低的環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構的復雜性，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量受損等問題。閉環回收，特征是在回收過程中不損害材料質量，對于減輕嚴峻的全球環境負擔和建立循環材料經濟至關重要。目前，在部分塑料的閉環回收方面已有一些成功的嘗試，但這些方法大多基于化學過程(如酸水解和動態交換反應)，存在高能耗或需使用苛刻化學品的問題。相比之下，生物技術憑借其固有的選擇性和溫和的工作條件等優勢，為解決這些問題提供了潛在的替代方案，值得更多關注。然而，設計可閉環生物回收的材料對生物制造、生物解構以及兩者之間的兼容性提出了很高的要求。
本項研究將團隊發展的被稱為“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程相結合，成功設計并制備出具有閉環生物可回收的纖維素基復合介電薄膜(圖1)。該團隊發展的氣溶膠輔助生物合成法是一種通用且可擴展的策略，可將葡萄糖單體和功能構筑單元加工成纖維素基功能復合材料。同時，纖維素酶水解是一項成熟技術，能特異性地將纖維素解聚為葡萄糖，且不影響其他組分。上述兩種生物過程足夠溫和，無需高溫高壓或使用有毒化學品，即可完成“原料-產品-廢棄物”的閉環循環。
圖1.可閉環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構設計(圖2a-c)，所獲得的細菌纖維素/玻璃微珠復合介電薄膜展現出高拉伸強度和楊氏模量、低介電常數、低熱膨脹系數、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低于目前已報道的各種有機-無機復合介電材料(圖2d,e)。人工干預下的細菌自發生命活動實現了獨特的高孔隙率結構的制備，密堆積的玻璃微珠內部以及之間的空氣對復合材料的性能提升起到重要的作用。因具有優異的綜合性能結合閉環生物可回收性，這種纖維素基介電薄膜在可持續電子器件領域具有巨大應用潛力，如基于纖維素基介電薄膜加工的電子器件的信號傳輸損耗顯著低于商用的環氧樹脂基底(圖2f)。有關成本和生命周期評估分析表明，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，但在人類健康和自然資源方面顯著降低了對環境的影響(圖2g)。這種結合氣溶膠輔助生物合成和酶降解的閉環生物回收策略，對開發下一代可持續電子材料和電子器件具有重要的指導意義。
圖2.可閉環生物回收的介電薄膜的結構與性能
俞書宏院士團隊博士生趙玉祥、博士后韓子盟、李曉光教授團隊博士生丁崧為論文共同第一作者，管慶方副研究員與俞書宏院士為論文共同通訊作者。
該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、新基石研究員項目、安徽省重大基礎研究項目等資助。
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