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中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出可閉環(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。
電子廢棄物正以驚人的速度增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)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)，可回收電子器件因更低的環(huán)境足跡而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，科研人員在部分塑料的閉環(huán)回收方面已有一些成功嘗試，但這些方法多基于化學(xué)過(guò)程，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。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較高要求。
研究團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)的“氣溶膠輔助生物合成”新興生物制造策略與特異性的酶降解過(guò)程相結(jié)合，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。“氣溶膠輔助生物合成”法是通用且可擴(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)，能夠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)。
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)，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。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作用。研究表明，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)域頗有應(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)傳輸損耗低于商用的環(huán)氧樹(shù)脂基底。相關(guān)成本和生命周期評(píng)估分析發(fā)現(xiàn)，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(lèi)健康和自然資源方面顯著降低了對(duì)環(huán)境的影響。
上述結(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指導(dǎo)意義。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-可持續(xù)性》（Nature Sustainability）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。
可閉環(huán)生物回收的纖維素基介電薄膜
可閉環(huán)生物回收的介電薄膜的結(jié)構(gòu)與性能 |
