电子产业正不断革新全球技术和经济发展，但与此同时，它也产生了显著的环境影响。
需要了解的是，电子产业的碳排放量约占全球总排放量的 3.7%，接近于乘用车和全球航空业的排放量。相较而言，其环境效应目前并未受到大量关注。
在电子器件制造中，硅基材料和光刻工艺是主流工艺选择。然而不可忽视的是，硅基材料的制造、光刻工艺的加工过程和电子产品的废弃处理都对环境产生了显著影响。
一方面，在电子器件加工过程中，会产生大量温室气体排放；另一方面，电子废弃物的不规范处置会导致大量有毒有害物质，例如铅（Pb）、汞（Hg）等，可能影响人类健康。
为解决上述问题，美国芝加哥大学田博之教授团队与合作者开发了一种环保的电子器件制造技术。
图丨田博之课题组部分成员合影（来源：Tian Group）
研究人员将可再生的生物聚合物基质（包括纸和纳米纤维素材料）使用激光进行图案化，并以水作为绿色驱动剂。
在使用柔性多孔基材时，电子图案能够即时脱层（小于 1 秒）和转移，从而显著降低了对化学品和电力的消耗。
该研究的设计灵感来源于生物启发的界面微纳结构。研究人员发现，壁虎能够在光滑的墙面上快速移动，主要是由于其爪子表面一层独特的微纳结构。
该层微纳结构因为范德华力的存在可以与墙面实现良好的附着，但是当壁虎施加横向作用力时又可以迅速剥离，这一点对于微纳加工具有很好的借鉴意义。
微纳加工的高环境影响主要来源于，加工时难以平衡基底与电路的强粘附力对剥离转移的影响。
“因此我们需要使用高氧化性的蚀刻剂用于后续剥离。受壁虎启发，我们开发了多种多孔生物材料基底，在使用水施加横向膨胀力时，能够实现界面快速分离。”该论文第一兼通讯作者、芝加哥大学博士后研究员杨传旺表示。
其中，生物高分子的采用对膨胀过程中起到了关键作用，并且能够仅用水而非高浓度腐蚀性化学品，来实现用于电子器件的快速分离和转移制造。
该方法在电子制造产业中的碳材料分离速度比传统方法快近 3 个数量级，同时，这种方法在可持续性和减少能源消耗、化学品使用等方面具有显著优势。
图丨用于可持续设备微制造的仿生透过结构方法（来源：Nature Sustainability）
生物材料的来源多样，例如纤维素、脂质和蛋白质等。然而，传统的光刻方法难以在这些材料上实现微纳加工。因此，如何在这些基底上制备电子电路是难题之一。
该课题组首次尝试在生物材料中添加不同的盐，通过激光处理实现直接打印导电电路，从而显著降低了电子器件生产对环境的负担。
审稿人对该研究评价称：“杨等人开发了一种吸湿性的‘激活剂-抑制剂-中和剂’系统，用于制造和转移微图案，有效避免了光刻胶等有害化学品引发的环境问题。”
图丨研究人员展示环保电子器件制造技术的过程样本（来源：Tian Group）
该技术具有广泛的应用潜力，具体来说：
第一，用于医疗器械领域作为生物电子器件，可作为物理刺激剂用于电极刺激生物组织。
同时研究人员也展示了将电极转移到创口贴上，未来可用于检测生物信号，例如监测患者伤口恢复进展，并实现伤口监测的电子化和原位数据收集。
第二，用于化学传感器领域，通过打印技术方便地制备传感器并嵌入电化学系统中实现对于环境条件如 pH 的检测。
同时结合原位生成的金属纳米颗粒的催化特性，可用于制备小型的仿生催化传感器，可以结合其运动行为检测环境中的重金属，如 Hg（II）等。
第三，由于电极表面具有丰富的微纳结构，还可用于微型电容器的制造，同时生物材料如纤维素具有良好的柔性，因此可以用于可穿戴的柔性电极的制造。
该技术既可以衔接生物高分子激光原位制造过程中，也可与传统的微纳加工技术相兼容。
在传统光刻技术中，研究人员通过使用纳米纤维素，在界面上构建微纳结构调控表面结合力的方式，从而实现对传统光刻分离方法接近 1 个数量级的加速。
研究人员通过生命周期评价，系统地评估了该方法与传统光刻方法在生产导电器件过程中的环境影响。
结果显示，该技术在碳排放上可降低 2 个数量级以上，同时在化学品使用和后端二氧化碳排放上也具有显著优势。
在研究前期工作中，主要关注基于小规模激光制造方法，因此如何实现大规模制造并应用于大规模场景是一个挑战。
为解决该问题，研究人员结合卷对卷制造工艺进行研发，成功开发了一套卷对卷生产工艺并实现了纸基电子器件大规模生产和转移。
图丨环保且多功能器件的可持续制造（来源：Nature Sustainability）
日前，相关论文以《一种用于可持续器件微制造的仿生渗透结方法》（A bioinspired permeable junction approach for sustainable device microfabrication）为题发表在 Nature Sustainability[1]。
芝加哥大学博士后研究员杨传旺是第一作者兼通讯作者，博士生黎鹏举是第二作者，美国加州大学洛杉矶分校金丽华副教授和芝加哥大学田博之教授担任共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature Sustainability）
在接下来的研究中，团队将致力于探索如何使电子产业更绿色环保，重点关注电子制造过程中的碳排放问题，并从上游生产制造到有效的数字化评估等多个方面进行深入研究，以推动电子产业的绿色转型。
参考资料：
1.Yang, C., Li, P., Wei, C. et al. A bioinspired permeable junction approach for sustainable device microfabrication.Nature Sustainability(2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01389-5
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