可溶解电池、可回收 PCB——这是怎么回事？
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在如此多的领域——量子计算、光电子学、太赫兹波，仅举几例——正在进行许多先进和创新的研究，以至于很容易忽视一些较小、不那么迷人但仍然有趣的领域，这些领域正在进行研究。即使这些没有带来适销对路或商业上的成功，它们仍然显示了正在进行的大大小小的努力的范围。此外，您永远不知道哪些会意外地发展到下一个可行性水平，或者可能解决特定的利基问题。
我们将研究其中两个发展，虽然它们无关，但它们都是现代电子产品的核心：电池和印刷电路板 （PCB）。
使用益生菌的可溶解电池
宾厄姆顿大学（纽约）的研究人员开发了一种由市售益生菌提供动力的“瞬时”生物电池，该益生菌无害溶解，仅释放有益微生物。这种生物电池是在水溶性或 pH 响应基材上制造的，使用 15 菌株的益生菌混合物（活微生物，摄入后对健康有益，但在其他方面无害）在各种电极材料上发电。
通过纵设备长度或用 pH 敏感聚合物将其封装，可以将功率传输从 4 分钟微调到 100 分钟以上。单个模块输出 4 μW 功率、47 μA 电流和 0.65 V 开路电压。为了实现可扩展和低成本的生产，该设备可以在可溶解的纸上打印或铅笔绘制，在毛细管微流控通道内具有不同长度或数量的蛇形电极。
请注意，这些瞬态和生物可吸收电子产品的主要目标并不是经过精心演练的减少电子垃圾的声明。相反，其基本目的是实现短期的、预定义的作，之后电池在不再需要时安全解体。这非常适合检索不切实际或不受欢迎的应用，例如临时医疗植入物、环境传感器或一次性安全设备
生物电池的所有组件——包括基板、印刷蜡边界和膜、铅笔画电极和普鲁士蓝阴极——都被设计为在基板溶解时在水中分解（图1）。
这种水溶性纸主要来自生物基材料，例如木浆纤维与天然纤维素成分相结合。与水接触后，纤维素溶解，导致木浆纤维分散成超细纤维。纤维素的亲水性促进了这一过程，纤维素促进了与水分子的相互作用并导致纸张结构的分解。
电池的构造相对简单，有点像分层涂料项目;不需要半导体或先进的工艺技术（图 2）。使用 100、10 和 1 kΩ 的电阻负载测试了电池的各种配方。
作者指出，非益生菌微生物驱动的生物电池已被成功证明是独立的电源。然而，这些材料带来了对微生物细胞毒性和相关健康风险的担忧。他们在很大程度上将设备限制在一次性和不可溶解的应用中。
该电池利用了这些有益益生菌菌株公认的安全和健康益处。它非常适合医疗和环境敏感环境中的瞬态和生物可吸收应用。
这项工作在他们的论文“可溶解益生菌驱动的生物电池：一种安全且生物相容性的瞬态应用能源解决方案”中进行了详细介绍，该论文由 Wiley's Small 在线发表。还有一个支持信息文件发布了更多详细信息。
可回收、可修复的电子产品
无论是使用低成本的酚醛树脂、无处不在的 FR4 还是一些更奇特的材料，印刷电路板 （PCB） 实际上都是电子电路和产品的基础。但是，试图回收电路板，甚至可能是其板安装组件以进一步回收或回收贵金属，是一项挑战，因为这些电路板固有的“坚固”特性不适合这种处理（您是否曾经尝试过“分解”FR4 电路板?...祝你好运！
为了解决这一困境，弗吉尼亚理工学院和州立大学（更广为人知的名称是弗吉尼亚理工大学）的研究团队开发了一种解决电子垃圾问题的潜在解决方案：一种可回收材料，可以使电子产品更容易分解和重复使用。他们创造了一类可回收、导电、可重新配置且损坏后可自愈的新型电路材料。然而，它们保留了传统电路板塑料的强度和耐用性——这些功能很少在单一材料中同时出现。
这种新材料从玻璃三聚体开始，这是一种动态聚合物，由于可以重塑和回收，因此再次受到关注。这种多功能材料与液态金属 （LM） 液滴相结合，形成一种 LM-玻璃三聚体微液滴复合材料，该复合材料承载电流，就像刚性金属在传统电路中所做的那样。玻璃三体电路板还可以在使用寿命结束时使用碱性水解进行解构，从而能够回收液态金属和 LED 等关键部件。
“传统电路板由永久性热固性材料制成，很难回收，”化学助理教授 Josh Worch 说。“在这里，我们的动态复合材料如果因加热而损坏，可以愈合或重塑，并且电气性能不会受到影响。现代电路板根本无法做到这一点。
与以前专注于软器件的永久共价网络或物理交联网络的LM掺入复合材料不同，它们的LM-玻璃三聚体复合材料能够实现导电性、稳健的热机械性能、高模量和可回收性的独特组合，而不会在高负载或变形下损失电导率（图3）。
LM掺入玻璃三体聚合物基质中是通过剪切混合程序完成的。LM-玻璃三聚体导电复合材料具有热塑性和热固性材料所固有的品质。主要优势之一是由于其高度交联网络而具有卓越的机械强度和刚度。为了证明这一点，他们制造了一个带有单个 LED 的简单电路（图 4）。
他们还研究了复合材料通过化学回收的降解性。当 LM-玻璃三聚体复合材料达到使用寿命时，必须回收复合材料内部的宝贵资源。由于基体中存在酯键，复合材料可以通过使用氢氧化钠水溶液的碱催化水解来降解。这使得能够制造完全基于玻纤介的电路板，该电路板由传感器和指示灯 LED 组成，并集成了 LM-玻纤介导电布线。
由于动态酯键和可重构的 LM 液滴网络，该复合材料还表现出愈合能力。为了证明材料愈合，使用剃须刀片切割复合材料的表面。然后通过热触发器修复损坏，该触发器由复合材料的焦耳加热能力实现。复合材料加热并重新配置，可在 10 分钟内愈合伤口。
为了展示该材料在下一代可持续电子设备中的潜在应用，他们创建了一种完全基于玻璃三聚体的电路板（图 5）。电路板是具有动态酯键的透明玻璃三体片。电路层是丝网印刷的LM-玻素复合材料，并联集成了两组LED和霍尔效应传感器。
有关完整的故事，他们的工作详见 Wiley 的先进材料上发表的论文“用于可回收和弹性电子产品的液态金属-玻璃三聚体导电复合材料”。该帖子还包括一个指向支持信息文件的链接以及四个短视频。
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