當(dāng)下，量子計(jì)算、光電子、太赫茲波等眾多領(lǐng)域都在開展前沿創(chuàng)新研究，這也讓一些規(guī)模更小、并非萬(wàn)眾矚目但同樣頗具價(jià)值的研究領(lǐng)域容易被忽視。即便這些研究未必能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化或商業(yè)成功，卻也展現(xiàn)出科研界大大小小的探索努力。更何況，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)知，哪些研究成果會(huì)意外走向?qū)嵱没蚴枪タ四硞€(gè)細(xì)分領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。

本文將介紹其中兩項(xiàng)研究成果，二者雖無(wú)關(guān)聯(lián)，卻同為現(xiàn)代電子技術(shù)的核心 —— 電池與印刷電路板。

益生菌供能的可溶解電池

美國(guó)賓厄姆頓大學(xué)的研究人員研發(fā)出一款由商用益生菌供能的瞬態(tài)生物電池，該電池可無(wú)害溶解，分解后僅釋放有益微生物。這款生物電池制備于水溶性或 pH 響應(yīng)性基底之上，采用由 15 種益生菌組成的混合菌株發(fā)電，這類益生菌是攝入后對(duì)人體有益、無(wú)其他副作用的活微生物，可在多種電極材料上完成電能轉(zhuǎn)化。

通過(guò)調(diào)整器件尺寸，或采用 pH 敏感型聚合物對(duì)其進(jìn)行封裝，可將電池的供電時(shí)長(zhǎng)精準(zhǔn)調(diào)控在 4 分鐘至 100 分鐘以上。單塊電池模組的輸出功率為 4 微瓦，輸出電流 47 微安，開路電壓 0.65 伏。為實(shí)現(xiàn)低成本、可規(guī)模化生產(chǎn)，該電池可通過(guò)印刷或鉛筆手繪的方式制作在可溶解紙張上，毛細(xì)微流道內(nèi)可設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度的電極，或布置不同數(shù)量的蛇形電極。

值得注意的是，研發(fā)這類瞬態(tài)、可生物吸收電子器件的核心目標(biāo)，并非業(yè)界反復(fù)提及的減少電子垃圾，而是讓電池實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的短期工作，在完成使命后安全分解。這一特性非常適用于器件回收不切實(shí)際或無(wú)需回收的場(chǎng)景，例如臨時(shí)植入式醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境傳感器、一次性安防設(shè)備等。

這款生物電池的所有組件 —— 包括基底、印刷蠟質(zhì)邊界與隔膜、鉛筆手繪電極以及普魯士藍(lán)正極，都被設(shè)計(jì)為可隨基底在水中溶解而逐步分解（見圖1）。

1. 一個(gè)瞬態(tài)益生菌驅(qū)動(dòng)的生物電池，安裝在可溶解紙質(zhì)基底上：（a） 短暫生物電池的示意圖，設(shè)計(jì)在可溶解紙平臺(tái)上，由益生菌供能。（b） 展示生物電池的可打印性和可擴(kuò)展性，展示電極長(zhǎng)度的變化以及毛細(xì)微流控通道中集成的蛇形電極數(shù)量。（c） 優(yōu)化版瞬態(tài)生物電池，封裝于低pH敏感聚合物中，增強(qiáng)對(duì)溶解和激活的控制。

該電池所使用的水溶性紙張主要由生物基材料制成，如木漿纖維與天然纖維素成分的復(fù)合物。紙張接觸水后，纖維素會(huì)溶解，木漿纖維則分散為微纖維；纖維素的親水性會(huì)促進(jìn)其與水分子結(jié)合，進(jìn)而加速紙張結(jié)構(gòu)的分解，推動(dòng)這一溶解過(guò)程的完成。

這款電池的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，類似多層涂覆的操作流程，無(wú)需半導(dǎo)體工藝或其他先進(jìn)制造技術(shù)支持（見圖2）。研究人員測(cè)試了多種配方的電池性能，分別搭配 100 千歐、10 千歐和 1 千歐的阻性負(fù)載進(jìn)行驗(yàn)證。

2. 以低pH敏感聚合物包裹的益生菌驅(qū)動(dòng)生物電池：（a） 水平布局益生菌供能生物電池的圖像，展示其在不同電極數(shù)量下可擴(kuò)展性。（b） 一。益生菌驅(qū)動(dòng)的生物電池（n=4）在pH敏感聚合物封裝可溶解紙基底上開發(fā)的橫斷面示意圖，以及其在低pH溶液中工作時(shí)隨時(shí)間變化的開路電壓（OCV）。（b） ii.益生菌驅(qū)動(dòng)生物電池（n = 4）的橫斷面示意圖，外包有額外的低pH敏感聚合物，顯示其在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)間變化的OCV特征。（c） 普魯士藍(lán)陰極的CV剖面，比較有無(wú)MnO2納米顆粒的性能。（d） 生物電池的電流-電壓（I–V）特性及功率曲線，比較普魯士藍(lán)-MnO2復(fù)合陰極與僅含普魯士藍(lán)陰極的陰極。（普魯士藍(lán)于18世紀(jì)初開發(fā)，是最早的持久合成顏料之一;其正式名稱是六氰化鐵，是一種復(fù)雜的鐵鹽。）

研究人員指出，此前已有以非益生菌微生物供能的生物電池被成功研發(fā)為獨(dú)立電源，但這類電池的材料存在微生物細(xì)胞毒性相關(guān)隱患，還會(huì)帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)，因此其應(yīng)用范圍大多局限于一次性、不可溶解的設(shè)備。

而這款益生菌供能電池，依托已被驗(yàn)證的益生菌安全性與健康益處，非常適合醫(yī)療領(lǐng)域和環(huán)境敏感場(chǎng)景中的瞬態(tài)、可生物吸收設(shè)備應(yīng)用。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于威立出版社旗下的《Small》期刊，論文題為《可溶解益生菌供能生物電池：適用于瞬態(tài)設(shè)備的安全生物相容性能源解決方案》，期刊還同步發(fā)布了補(bǔ)充材料，包含更多研究細(xì)節(jié)。

可回收、可自修復(fù)的電子器件

無(wú)論是低成本酚醛樹脂、應(yīng)用最廣泛的 FR4 材料，還是其他特殊材質(zhì)，印刷電路板都是電子電路和電子設(shè)備的物理基礎(chǔ)。但回收電路板、甚至提取板載元器件以回收貴金屬的過(guò)程，卻存在諸多難點(diǎn) —— 電路板本身的高耐用性特性，使其難以被拆解處理。

為解決這一難題，弗吉尼亞理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種潛在的電子垃圾解決方案：一款可回收材料，能讓電子器件更易拆解和復(fù)用。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全新品類的電路基材，兼具可回收、導(dǎo)電、可重構(gòu)的特性，受損后還能實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，同時(shí)保留了傳統(tǒng)電路板塑料的強(qiáng)度與耐用性 —— 這些特性很難在單一材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

這款新材料以動(dòng)態(tài)聚合物玻璃離聚物為基底，這類聚合物因可重塑、可回收的特性，再度受到科研界的關(guān)注；研究人員將液態(tài)金屬微滴融入玻璃離聚物，制成液態(tài)金屬 - 玻璃離聚物微滴復(fù)合材料，該材料可像傳統(tǒng)電路板中的剛性金屬一樣傳導(dǎo)電流。此外，這類玻璃離聚物電路板在壽命終結(jié)后，可通過(guò)堿水解工藝拆解，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬、發(fā)光二極管等核心元器件的回收。

該?；瘜W(xué)系助理教授 Josh Worch 表示：“傳統(tǒng)電路板由永久性熱固性材料制成，極難回收；而我們研發(fā)的這款動(dòng)態(tài)復(fù)合材料，若出現(xiàn)損壞，可通過(guò)加熱實(shí)現(xiàn)修復(fù)或重塑，且其電學(xué)性能不會(huì)受影響，這是現(xiàn)代傳統(tǒng)電路板完全無(wú)法做到的。”

此前研發(fā)的融入液態(tài)金屬的復(fù)合材料，多聚焦于為柔性設(shè)備打造永久性共價(jià)網(wǎng)絡(luò)或物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，而這款液態(tài)金屬 - 玻璃離聚物復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)特性的獨(dú)特融合：具備導(dǎo)電性、優(yōu)異的熱機(jī)械性能、高模量，且在高負(fù)載或形變條件下導(dǎo)電性能不會(huì)衰減，同時(shí)還可回收（見圖3）。

3. 液態(tài)金屬（LM）-三三組體導(dǎo)電復(fù)合材料及回收工藝：（a） LM復(fù)合材料中動(dòng)態(tài)共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò)機(jī)制示意圖。（b） LM-四三三體導(dǎo)電復(fù)合材料的制造與化學(xué)回收示意圖。（c） 異構(gòu)LM-vitrimer復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（左），附有自上而下和橫截面顯微圖像（右）。（d） 演示1.5毫米厚的LM-vitrimer復(fù)合樣品，在LED亮起時(shí)支撐9公斤重量。

研究人員通過(guò)剪切混合工藝，將液態(tài)金屬融入玻璃離聚物聚合物基體中；這款復(fù)合材料兼具熱塑性和熱固性材料的固有特性，其高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其擁有遠(yuǎn)超同類材料的機(jī)械強(qiáng)度和剛性。研究人員制作了一個(gè)搭載單顆發(fā)光二極管的簡(jiǎn)易電路，驗(yàn)證了這一特性（見圖4）。

4. LM-四三三體導(dǎo)電復(fù)合材料的演示：（a） LM-四三三體復(fù)合LED器件的制造。（b）制造的LM-vitrimer復(fù)合LED器件照片。（c） LM-vitrimer導(dǎo)電復(fù)合材料，在為L(zhǎng)ED供電時(shí)承受9公斤重物。（d） 形狀記憶行為的示意圖。（e）示意圖（左）和圖片（右），顯示LED器件被重新塑形為圓柱形。（f） 通過(guò)加熱恢復(fù)形狀記憶的圖像序列。（g）LM-四三體復(fù)合物在5M NaOH溶液中解體的圖像序列。（h）從退化復(fù)合材料中提取了LM和LED芯片。（i） 控制環(huán)氧（無(wú)酯功能）LM復(fù)合材料，浸泡于5M NaOH溶液三天后無(wú)降解。

研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)化學(xué)回收實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該復(fù)合材料的可降解性。器件達(dá)到使用壽命后，其內(nèi)部的珍貴資源需要被回收；由于該復(fù)合材料的基體中含有酯鍵，可通過(guò)氫氧化鈉水溶液進(jìn)行堿催化水解，實(shí)現(xiàn)材料降解。這一特性也讓研發(fā)全玻璃離聚物基底電路板成為可能，這類電路板可集成傳感器、指示用發(fā)光二極管，并采用液態(tài)金屬 - 玻璃離聚物復(fù)合材料制作導(dǎo)電線路。

得益于基體中的動(dòng)態(tài)酯鍵，以及可重構(gòu)的液態(tài)金屬微滴網(wǎng)絡(luò)，該復(fù)合材料還具備自修復(fù)能力。為驗(yàn)證這一特性，研究人員用刀片在復(fù)合材料表面劃出切口，借助材料的焦耳熱效應(yīng)，通過(guò)加熱觸發(fā)自修復(fù)機(jī)制；僅 10 分鐘，復(fù)合材料就通過(guò)升溫、結(jié)構(gòu)重構(gòu)，完成了切口的修復(fù)。

為驗(yàn)證該材料在下一代可持續(xù)電子器件中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)制作了一塊全玻璃離聚物基底電路板：基底為帶有動(dòng)態(tài)酯鍵的透明玻璃離聚物薄片，電路層則是絲網(wǎng)印刷的液態(tài)金屬 - 玻璃離聚物復(fù)合材料，該電路并聯(lián)集成了兩組發(fā)光二極管和霍爾效應(yīng)傳感器（見圖5）。

5. LM三聚體電路演示：（a）霍爾效應(yīng)傳感器電路示意圖，LED通過(guò)組裝在純聚體上的LM三三體復(fù)合互連器連接。（b）電路設(shè)計(jì)，包含兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和六個(gè)LED（紅綠各三個(gè)）。（c） 由LM-含三酯復(fù)合表面的磨蝕力產(chǎn)生的導(dǎo)電互連電路。（d） 當(dāng)綠色LED因磁場(chǎng)作用于連接的霍爾效應(yīng)傳感器而點(diǎn)亮?xí)r的電路照片。（e） 紅色LED亮起的照片。（f） 通過(guò)加熱重新配置后，電路的功能得到了證明。（c）到（f）中的圖像跟隨（f）中的比例條。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于威立出版社旗下的《Advanced Materials》期刊，論文題為《適用于可回收、高韌性電子器件的液態(tài)金屬 - 玻璃離聚物導(dǎo)電復(fù)合材料》，期刊還附帶了補(bǔ)充材料及四段演示短視頻，完整呈現(xiàn)了該項(xiàng)研究的細(xì)節(jié)。