中国科学技术大学俞书宏院士团队成功开发出一种可闭环生物回收的纤维素基介电薄膜，能够提高电子器件的循环利用率，从而减少电子废弃物。相关研究成果以“Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics”为题于7月28日发表在国际学术期刊《Nature Sustainability》上。
电子废弃物正以惊人的速度增长，其对环境和人类健康的负面影响已引发广泛关注。为塑造电子产品的可持续未来，可回收电子器件因其更低的环境足迹而极大地吸引了研究人员的兴趣。然而，由于组分的多样性与结构的复杂性，可回收电子器件仍面临部分组件被丢弃、能耗较高以及材料质量受损等问题。闭环回收，特征是在回收过程中不损害材料质量，对于减轻严峻的全球环境负担和建立循环材料经济至关重要。目前，在部分塑料的闭环回收方面已有一些成功的尝试，但这些方法大多基于化学过程（如酸水解和动态交换反应），存在高能耗或需使用苛刻化学品的问题。相比之下，生物技术凭借其固有的选择性和温和的工作条件等优势，为解决这些问题提供了潜在的替代方案，值得更多关注。然而，设计可闭环生物回收的材料对生物制造、生物解构以及两者之间的兼容性提出了很高的要求。
本项研究将团队发展的被称为“气溶胶辅助生物合成”的一种新兴生物制造策略与特异性的酶降解过程相结合，成功设计并制备出具有闭环生物可回收的纤维素基复合介电薄膜（图1）。该团队发展的气溶胶辅助生物合成法是一种通用且可扩展的策略，可将葡萄糖单体和功能构筑单元加工成纤维素基功能复合材料。同时，纤维素酶水解是一项成熟技术，能特异性地将纤维素解聚为葡萄糖，且不影响其他组分。上述两种生物过程足够温和，无需高温高压或使用有毒化学品，即可完成“原料－产品－废弃物”的闭环循环。
图1.可闭环生物回收的纤维素基介电薄膜
得益于气溶胶辅助生物合成法及基于此的三明治结构设计（图2a-c），所获得的细菌纤维素/玻璃微珠复合介电薄膜展现出高拉伸强度和杨氏模量、低介电常数、低热膨胀系数、良好柔韧性以及表面光滑等特性。该纤维素基介电薄膜的介电常数低于目前已报道的各种有机－无机复合介电材料（图2d,e）。人工干预下的细菌自发生命活动实现了独特的高孔隙率结构的制备，密堆积的玻璃微珠内部以及之间的空气对复合材料的性能提升起到重要的作用。因具有优异的综合性能结合闭环生物可回收性，这种纤维素基介电薄膜在可持续电子器件领域具有巨大应用潜力，如基于纤维素基介电薄膜加工的电子器件的信号传输损耗显著低于商用的环氧树脂基底（图2f）。有关成本和生命周期评估分析表明，与商用介电薄膜相比，这种生物制造的纤维素介电薄膜成本与其相当，但在人类健康和自然资源方面显著降低了对环境的影响（图2g）。这种结合气溶胶辅助生物合成和酶降解的闭环生物回收策略，对开发下一代可持续电子材料和电子器件具有重要的指导意义。
图2.可闭环生物回收的介电薄膜的结构与性能
俞书宏院士团队博士生赵玉祥、博士后韩子盟、李晓光教授团队博士生丁崧为论文共同第一作者，管庆方副研究员与俞书宏院士为论文共同通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、新基石研究员项目、安徽省重大基础研究项目等资助。
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