天津大学团队研发首款可溶于水的智能手表,未来还会有新突破

学术头条

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· 8月24日

既环保又“产金”。

世界上第一款可溶解电子手表,来源:黄显教授团队

世界上第一款可溶解电子手表,来源:黄显教授团队

文丨学术头条,作者丨郝景,编审丨寇建超

众所周知,东京奥运会的奖牌是由“垃圾”制成的。

这里的垃圾并不是指那些臭气熏天、周围小虫子乱飞的垃圾,而是指一些已报废、不再使用的工业或民用电子电气设备,比如废弃的手机、冰箱等“电子垃圾”。

据日本官方表示,出于环保理念,他们早在 2017 年就开始回收本国的电子垃圾,最终从 8 万吨旧家电、620 万部旧手机中提取出了 32 公斤黄金、3.5 吨白银和 2.2 吨黄铜。

近年来,随着电子技术的快速发展,全球消费电子产品销售额呈现出爆炸式增长的趋势,2019 年达到 1.032 亿美元,每年产生超过 5360 万吨的电子垃圾。

而随之而来的消费电子产品的回收成为一个棘手的问题,在电子产品的回收过程中,有大量的电子产品经过了粗糙和过于简化的处理,比如人工拆解、露天焚烧和酸浸等,因而产生了多氯联苯、多溴联苯、聚氯乙烯、铅、镉和汞等有害物质,造成了严重的环境污染和健康问题。

近日,基于“电子产品环保易回收“的理念,天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系黄显教授团队研发出了一种可用于可溶解消费电子产品引线互连的室温水烧结纳米复合材料,并开发出了世界上第一款可溶解智能手表。

该手表和传统的智能手表一样,具有传感器,可以精确测量心率、血氧水平和步数,并通过蓝牙连接将这些数据传输到手机应用程序;有机发光二极管(OLED)屏幕还可以显示相关手机的日期、时间和消息,以及监测到的佩戴者生命体征等数据。
图|支持来电显示

图|支持来电显示
图|支持蓝牙连接图|支持蓝牙连接
图|支持显示文字和表情图|支持显示文字和表情

相关研究论文以“Water-Sintered Transient Nanocomposites Used as Electrical Interconnects for Dissolvable Consumer Electronics”为题,发表在“ACS Applied Materials & Interfaces”上。黄显教授为论文的通讯作者。
来源:ACS Applied Materials & Interfaces

来源:ACS Applied Materials & Interfaces

对此,黄显教授团队告诉学术头条,他们提出的这种解决方法可以实现电子产品无污染化的快速回收,只需要将废弃的电子产品丢入水中,即可在几天之内降解,其中的芯片等元器件仍然可以回收使用,既没有污染又能增加电子元器件的利用率。

首款可溶解电子手表的“前世今生”

事实上,我们看到的世界上第一款可溶解智能手表,是一种瞬态电子器件。

那什么是瞬态电子器件?其对环保的意义又是什么?

2012 年,John Rogers 等人在权威学术期刊 Science 上发表的“A Physically Transient Form of Silicon Electronics”论文中,首次提出了“瞬态电子器件”这一全新概念。

瞬态电子器件是指,当电子功能器件在实现指定功能或完成某项任务后,其物理形态和功能可以在外界刺激触发下,发生部分自毁消失或者完全自毁消失的一种电子器件。

基于上述定义,科学家们认为瞬态电子产品应该具备以下 3 个特征:

  1. 与传统电子产品有相同的稳定性和可靠性;
  2. 实现各种功能转换的瞬态特征;
  3. 其使用寿命是预先设置和实时可控的。

当前,大多数瞬态导电油墨都需要通过光脉冲或者激光烧结实现油墨导电性能的提升,但是这些方法需要昂贵的仪器设备以及苛刻的烧结环境。

为解决这一问题,黄显教授团队通过向油墨中引入酸酐,实现了油墨在室温下的水烧结,这一突破大大降低了烧结成本。

具体而言,他们利用酸酐遇水产生弱酸的特性,结合局部电化学腐蚀以及饱和金属离子再沉积的效应实现了银锌纳米复合材料在室温环境下的温和烧结,烧结后的瞬态电子可溶性材料保持了与常规银导电材料相当的导电特性。
图|烧结机理:酸酐遇水产生弱酸,结合局部电化学腐蚀及饱和离子再沉积效应实现纳米复合材料的烧结。(来源:该论文)

图|烧结机理:酸酐遇水产生弱酸,结合局部电化学腐蚀及饱和离子再沉积效应实现纳米复合材料的烧结。来源:该论文

而且,在以往的研究中,通过丝网印刷的方法印刷的电路都是单面印刷,实现的功能都比较简单,而对智能手表来言,如果使用单面印刷会严重限制互连引线的走线设计,无法做到在有限空间实现更多的功能。

针对这一问题,黄显教授团队首次实现了在可降解基板上的双面印刷,通过校准符号保证位置的准确性。使用钻孔机在基板上打通过孔,在过孔内滴加油墨实现了双面引线的互连,大大缩小了占用空间。

基于以上工作,研究人员在 3D 打印的可降解聚合物盒内制造了一种带有多个银锌纳米复合物的智能手表,并带有印刷电路板。

至此,第一款瞬态消费电子产品“可溶解电子手表”就成功问世了。
图|A. 智能手表的概念和演示 , 双金属瞬态纳米复合材料的可溶性智能手表和水烧结示意图;B. 基于双金属瞬态纳米复合材料的全印刷瞬态智能手表图像; C. 多组瞬态印刷电路板包含不同的组件;D. 手腕上的智能手表图像。(来源:该论文)

图|A. 智能手表的概念和演示 , 双金属瞬态纳米复合材料的可溶性智能手表和水烧结示意图;B. 基于双金属瞬态纳米复合材料的全印刷瞬态智能手表图像; C. 多组瞬态印刷电路板包含不同的组件;D. 手腕上的智能手表图像。来源:该论文

“目前许多研究表明金属锌是一种良好的瞬态金属材料和生物可吸收材料,使用的 PVA 基底也是一种良好的生物可吸收有机材料,不会对环境造成二次污染,尽管纳米复合材料中还存在极少量的银纳米线不能溶于水,但是其含量符合我国生态环境部规定以及世界卫生组织发布的安全指南要求。” 黄显教授团队表示。

对于上述制备智能手表的材料,黄显教授团队表示:“大多数可生物可解电子设备都是使用互补的金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺制造的,这些工艺非常耗时,需要许多特殊工艺。相比之下,用这些纳米复合材料制造的设备可以通过印刷获得大规模生产,成本和能量要低得多,产量也要高得多,这表明它们很容易被纳入现有的电路生产线。”

但是,由于印刷精度上的限制,当前制作的可溶性电子产品在尺寸和功能全面性上,距离市面上的成熟电子产品还有很大差距。

“但这项研究仍然为未来解决电子垃圾提供了一个全新思路。未来我们也将进一步优化纳米复合材料的导电性能以及印刷精度,丰富手表的功能,缩小与成熟智能手表的差距。”

既环保又“产金”

在此次研究中,当这款智能手表被完全浸入水中时,其外壳和电路会在 40 小时内完全溶解,而遗留下来的仅是手表的组件,比如 OLED 屏幕和微控制器,以及电阻器和电容器。

换言之,这种废弃的电子设备将不需要通过手工拆解、化学腐蚀等方法回收,只需要将废弃的电子产品丢入水中,即可在几天之内降解,其中的芯片等元器件仍然可以回收使用,既没有污染又增加了电子元器件的利用率。
图|A. 智能手表的概念和演示 , 双金属瞬态纳米复合材料的可溶性智能手表和水烧结示意图;B. 基于双金属瞬态纳米复合材料的全印刷瞬态智能手表图像; C. 多组瞬态印刷电路板包含不同的组件;D. 手腕上的智能手表图像。来源:该论文

图|a. 瞬态印刷电路溶解过程的图像;b. 智能手表溶解过程的图像。来源:该论文

但请放心,汗水并不能溶解它。
图 | 智能手表在遇水后仍能够继续工作而不会出现故障,这表明它对湿度有一定的耐受性(来源:该论文)

图 | 智能手表在遇水后仍能够继续工作而不会出现故障,这表明它对湿度有一定的耐受性。来源:该论文

另外,这种电子产品/组件回收的意义不仅在于可以保护环境,还能“产金子”。

有报告指出,每吨线路板和手机分别含黄金量大概是 200g 和 300g 左右,而金矿的平均品位只有每吨 5g,这就说明,电子垃圾的含金量是金矿石的 40-60 倍。同时,电子垃圾中还含有大量其他高价值的稀有金属材料,银、白金、钴、铟等。

然而,面对具有如此高回收价值的电子垃圾,至 2019 年为止,其回收率却仅有 2%。回收率低的主要原因在于电子垃圾的回收成本高、回收困难等。

毋庸置疑,这种可溶解的电子产品为解决电子垃圾和芯片回收提供了一个全新的思路。

此外,黄显教授团队还通过对这种电子设备材料开展细胞毒性实验,证明了该材料具有良好的生物相容性,并显示出比其他可生物降解水墨更好的机电性能,这就意味着它们可以溶解在体内。

黄显教授团队表示,“它们可能导致可打印和植入设备在完成功能后可能消失在人体中。” 也就是说,这种电子设备有望进一步用于植入器件和生物医学应用。

未来可期

早在 2019 年,黄显教授团队就成功研发了“水致烧结”柔性电子印刷术,这种技术为可溶性瞬态电子产品奠定了基础,同时也为生物可植入可降解设备的发展提供了思路。

当前,黄显教授团队正与国内高校开展学术上的相关合作,比如在新的可溶性基底的材料、可溶性基底的改造、各类可溶性油墨的机理等方面。

此外,黄显教授团向学术头条透露,他们近期正在利用油墨和烧结技术制备各种生物医学器件,包括辅助创伤愈合和进行植入式电化学测量的器件。未来 3-5 年主要是进一步完善可用于生物可吸收和可降解器件印刷的材料和处理技术,提高印刷精度和可以制备的器件的种类,最终实现全部可溶解的复杂系统。

参考资料:

  • https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c07102
  • https://spectrum.ieee.org/the-world-s-first-dissolvable-smartwatch
  • http://bfe.tju.edu.cn/index.html
  • https://science.sciencemag.org/content/337/6102/1640
  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5b04931
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