杜克大学的工程师们开发了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品。通过展示由三种碳基墨水创建的关键且相对复杂的计算机组件-晶体管，研究人员希望激发新一代可循环利用的电子产品，以帮助应对日益增长的全球电子废物流行。
该研究成果将于4月26日在线发表在《自然电子》杂志上。
“基于硅的计算机组件可能永远不会消失，我们不希望像我们这样的易于回收利用的电子产品取代已经被广泛使用的技术和设备，”杜克大学电气与计算机工程学院Addy教授亚伦·富兰克林(Aaron Franklin)说。 。“但是，我们希望通过创建新的，可完全回收利用的，易于印刷的电子产品并展示它们的功能，可以将它们广泛应用于未来的应用中。”
随着世界各地人们越来越多地使用电子产品，越来越多的废弃设备要么不再工作，要么被废弃以支持更新的型号。根据合国的估计，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。随着世界升级到5G设备以及物网(IoT)的不断扩展，问题只会变得更加严重。
问题的一部分是电子设备难以回收。大型工厂雇用数百名工人，他们会使用笨重的设备。但是，尽管可以回收铜，铝和钢的废料，但位于设备中心的硅片却无法回收。
在这项新的研究中，富兰克林和他的实验室展示了一种由三种碳基油墨制成的完全可回收，功能齐全的晶体管，可以轻松地印刷到纸张或其他柔性，环保表面上。碳纳米管和石墨烯油墨分别用于半导体和导体。富兰克林说，尽管这些材料在印刷电子世界中并不陌生，但随着木材衍生的绝缘电介质油墨(称为纳米纤维素)的开发，开辟了可回收性之路。
富兰克林说：“纳米纤维素是可生物降解的，并且已经在包装等应用中使用了多年。” “尽管人们很早就知道它在电子产品中的绝缘体的潜在用途，但之前没人知道如何在可印刷油墨中使用它。这是使这些可完全回收的装置发挥作用的关键之一。”
研究人员开发了一种悬浮从木纤维中提取的纳米纤维素晶体的方法，这种方法通过撒上少量食盐可以产生一种墨水，该墨水在其印刷晶体管中可作为绝缘体。研究小组证明，在室温下在气溶胶喷射打印机中使用这三种墨水，即使是在首次打印后的六个月内，其全碳晶体管的性能也足以用于各种应用。
然后，团队演示他们的设计具有可回收性。通过将其设备浸入一系列浴中，用声波将其轻轻振动并离心分离所得溶液，依次回收碳纳米管和石墨烯，平均收率接近100%。然后，两种材料都可以在相同的印刷过程中重复使用，而损失的性能几乎没有。而且由于纳米纤维素是由木材制成的，因此可以将其与印刷纸一起简单地回收利用。
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，用于诸如电源控制或逻辑电路以及各种传感器之类的设备中。富兰克林(Franklin)解释说，他希望通过首先展示一种完全可回收利用的多功能印刷晶体管，希望朝着在简单设备上商业化应用的技术迈出第一步。例如，富兰克林说，他可以想象这项技术正在大型建筑物中使用，需要数千个简单的环境传感器来监视其能源使用情况，或者使用定制的生物传感贴片来跟踪医疗状况。
富兰克林说：“像这样的可回收电子产品将不会淘汰任何形式的整个半万亿美元的产业，而且我们肯定离印刷可回收计算机处理器还差得很远。” “但是，展示这些新型材料及其功能有望为新型电子产品生命周期的正确方向打下坚实的基础。”
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