中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊成功開發(fā)出一種可閉環(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。相關(guān)研究成果以“Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics”為題于7月28日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Sustainability》上。 
電子廢棄物正以驚人的速度增長，其對環(huán)境和人類健康的負(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，可回收電子器件因其更低的環(huán)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(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、能耗較高以及材料質(zhì)量受損等問題。閉環(huán)回收，特征是在回收過程中不損害材料質(zhì)量，對于減輕嚴(yán)峻的全球環(huán)境負(fù)擔(dān)和建立循環(huán)材料經(jīng)濟至關(guān)重要。目前，在部分塑料的閉環(huán)回收方面已有一些成功的嘗試，但這些方法大多基于化學(xué)過程(如酸水解和動態(tài)交換反應(yīng))，存在高能耗或需使用苛刻化學(xué)品的問題。相比之下，生物技術(shù)憑借其固有的選擇性和溫和的工作條件等優(yōu)勢，為解決這些問題提供了潛在的替代方案，值得更多關(guān)注。然而，設(shè)計可閉環(huán)生物回收的材料對生物制造、生物解構(gòu)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(fā)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(jié)合，成功設(shè)計并制備出具有閉環(huán)生物可回收的纖維素基復(fù)合介電薄膜(圖1)。該團隊發(fā)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(gòu)筑單元加工成纖維素基功能復(fù)合材料。同時，纖維素酶水解是一項成熟技術(shù)，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(xué)品，即可完成“原料-產(chǎn)品-廢棄物”的閉環(huán)循環(huán)。
圖1.可閉環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(圖2a-c)，所獲得的細菌纖維素/玻璃微珠復(fù)合介電薄膜展現(xiàn)出高拉伸強度和楊氏模量、低介電常數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、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(shù)低于目前已報道的各種有機-無機復(fù)合介電材料(圖2d,e)。人工干預(yù)下的細菌自發(fā)生命活動實現(xiàn)了獨特的高孔隙率結(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復(fù)合材料的性能提升起到重要的作用。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)域具有巨大應(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傳輸損耗顯著低于商用的環(huán)氧樹脂基底(圖2f)。有關(guān)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(dāng)，但在人類健康和自然資源方面顯著降低了對環(huán)境的影響(圖2g)。這種結(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，對開發(fā)下一代可持續(xù)電子材料和電子器件具有重要的指導(dǎo)意義。
圖2.可閉環(huán)生物回收的介電薄膜的結(jié)構(gòu)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(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、新基石研究員項目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目等資助。
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