完全可回收的印刷电子产品将有毒化学物质用于水

杜克大学的工程师制造出了世界上第一款完全可回收的印刷电子产品，在制造过程中用水代替了化学品。通过绕过对危险化学品的需求，该示范指出了一条行业可以遵循的道路，以减少其环境足迹和人类健康风险。

该研究于 2 月 28 日在线发表在《纳米快报》杂志上。

任何电子制造商面临的主要挑战之一是成功地将多层组件固定在彼此之上，这对于制造复杂设备至关重要。让这些层粘在一起可能是一个令人沮丧的过程，特别是对于印刷电子产品。

“如果你正在制作花生酱和果冻三明治，那么在任何一片面包上涂一层都很容易，”领导这项研究的杜克大学电气与计算机工程学院 Addy 教授 Aaron Franklin 解释说。“但如果你先把果冻放下，然后尝试在上面涂上花生酱，算了，果冻不会留在原地，会与花生酱混合。将层层叠叠起来并不像将它们单独放置那么容易——但如果你想用打印技术构建电子设备，那就是你必须做的事情。”

在之前的工作中，富兰克林和他的团队展示了第一个完全可回收的印刷电子产品。这些设备使用了三种碳基墨水：半导体碳纳米管、导电石墨烯和绝缘纳米纤维素。在尝试使原始工艺仅使用水的过程中，碳纳米管提出了最大的挑战。

为了制造一种碳纳米管不会聚集在一起并均匀分布在表面上的水性墨水，需要添加一种类似于洗涤剂的表面活性剂。然而，由此产生的墨水并没有产生足够致密的碳纳米管层以供高电流电子穿过。

“你希望碳纳米管看起来像散落在平坦表面上的有嚼劲的意大利面条，”富兰克林说。“但是使用水性墨水，它们看起来更像是被一个接一个地扔在墙上以检查是否煮熟。如果我们使用化学品，我们可以一次又一次地打印多遍，直到有足够的纳米管。但是水不是那样工作的。我们可以做 100 次，密度仍然和第一次一样。”

这是因为用于防止碳纳米管结块的表面活性剂也会防止其他层粘附到第一层上。在传统的制造过程中，这些表面活性剂将使用非常高的温度去除，这需要大量能量，或者使用刺激性化学物质，这可能会对人类和环境健康构成风险。富兰克林和他的团队想避免两者。

在这篇论文中，富兰克林和他的团队开发了一个循环过程，在这个过程中，设备用水冲洗，在相对较低的热量下干燥，然后再次打印。当墨水中使用的表面活性剂的量也被调低时，研究人员表明他们的墨水和工艺可以创造出功能齐全、完全可回收、完全水基的晶体管。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机组件，用于电源控制或逻辑电路和传感器等设备中。富兰克林解释说，通过首先展示晶体管，他希望向该领域的其他人发出信号，表明有一条可行的途径可以使某些电子制造工艺更加环保。

富兰克林已经证明，几乎 100% 用于印刷的碳纳米管和石墨烯都可以在同一过程中回收和再利用，损失的物质或它们的性能可行性非常小。因为纳米纤维素是由木材制成的，所以它可以像纸一样简单地回收或生物降解。虽然这个过程确实使用了大量的水，但它远不及处理传统制造方法中使用的有毒化学品所需的水量。

据联合国估计，每年丢弃的数百万磅电子产品中只有不到四分之一被回收。随着世界最终升级到 6G 设备并且物联网 (IoT) 继续扩展，问题只会变得更糟。因此，在这个不断增长的电子垃圾山中可以做出的任何凹痕都是重要的。

尽管还需要做更多的工作，但富兰克林表示，这种方法可以用于制造其他电子元件，例如现在社会上无处不在的屏幕和显示器。每个电子显示器都有一个类似于论文中展示的薄膜晶体管背板。目前的制造技术是高能的，并且依赖于危险化学品和有毒气体。整个行业已被环境保护署标记为立即关注。[https://www.epa.gov/climateleadership/sector-spotlight-electronics]

“我们的薄膜晶体管的性能无法与目前制造的最佳晶体管相媲美，但它们的竞争力足以向研究界表明，我们都应该做更多的工作，使这些工艺更加环保，”富兰克林说。

这项工作得到了国立卫生研究院 (1R01HL146849)、空军科学研究办公室 (FA9550-22-1-0466) 和国家科学基金会 (ECCS-1542015，研究生研究奖学金 2139754) 的支持。