電子產業(yè)正不斷革新全球技術和經(jīng)濟發(fā)展，但與此同時，它也產生了顯著的環(huán)境影響。

需要了解的是，電子產業(yè)的碳排放量約占全球總排放量的3.7%，接近于乘用車和全球航空業(yè)的排放量。相較而言，其環(huán)境效應目前并未受到大量關注。

在電子器件制造中，硅基材料和光刻工藝是主流工藝選擇。然而不可忽視的是，硅基材料的制造、光刻工藝的加工過程和電子產品的廢棄處理都對環(huán)境產生了顯著影響。

一方面，在電子器件加工過程中，會產生大量溫室氣體排放；另一方面，電子廢棄物的不規(guī)范處置會導致大量有毒有害物質，例如鉛（Pb）、汞（Hg）等，可能影響人類健康。

為解決上述問題，美國芝加哥大學田博之教授團隊與合作者開發(fā)了一種環(huán)保的電子器件制造技術。

研究人員將可再生的生物聚合物基質（包括紙和納米纖維素材料）使用激光進行圖案化，并以水作為綠色驅動劑。

在使用柔性多孔基材時，電子圖案能夠即時脫層（小于1秒）和轉移，從而顯著降低了對化學品和電力的消耗。

該研究的設計靈感來源于生物啟發(fā)的界面微納結構。研究人員發(fā)現(xiàn)，壁虎能夠在光滑的墻面上快速移動，主要是由于其爪子表面一層獨特的微納結構。

該層微納結構因為范德華力的存在可以與墻面實現(xiàn)良好的附著，但是當壁虎施加橫向作用力時又可以迅速剝離，這一點對于微納加工具有很好的借鑒意義。

微納加工的高環(huán)境影響主要來源于，加工時難以平衡基底與電路的強黏附力對剝離轉移的影響。

“因此我們需要使用高氧化性的蝕刻劑用于后續(xù)剝離。受壁虎啟發(fā)，我們開發(fā)了多種多孔生物材料基底，在使用水施加橫向膨脹力時，能夠實現(xiàn)界面快速分離?！痹撜撐牡谝患嫱ㄓ嵶髡?、美國芝加哥大學博士后研究員楊傳旺表示。

其中，生物高分子的采用對膨脹過程中起到了關鍵作用，并且能夠僅用水而非高濃度腐蝕性化學品，來實現(xiàn)用于電子器件的快速分離和轉移制造。

該方法在電子制造產業(yè)中的碳材料分離速度比傳統(tǒng)方法快近3個數(shù)量級，同時，這種方法在可持續(xù)性和減少能源消耗、化學品使用等方面具有顯著優(yōu)勢。

生物材料的來源多樣，例如纖維素、脂質和蛋白質等。然而，傳統(tǒng)的光刻方法難以在這些材料上實現(xiàn)微納加工。因此，如何在這些基底上制備電子電路是難題之一。

該課題組首次嘗試在生物材料中添加不同的鹽，通過激光處理實現(xiàn)直接打印導電電路，從而顯著降低了電子器件生產對環(huán)境的負擔。

審稿人對該研究評價稱：“楊等人開發(fā)了一種吸濕性的‘激活劑﹣抑制劑﹣中和劑’系統(tǒng)，用于制造和轉移微圖案，有效避免了光刻膠等有害化學品引發(fā)的環(huán)境問題?！?/p>

該技術具有廣泛的應用潛力。

第一，用于醫(yī)療器械領域作為生物電子器件，可作為物理刺激劑用于電極刺激生物組織。

同時研究人員也展示了將電極轉移到創(chuàng)口貼上，未來可用于檢測生物信號，例如監(jiān)測患者傷口恢復進展，并實現(xiàn)傷口監(jiān)測的電子化和原位數(shù)據(jù)收集。

第二，用于化學傳感器領域，通過打印技術方便地制備傳感器并嵌入電化學系統(tǒng)中實現(xiàn)對于環(huán)境條件如pH的檢測。

同時結合原位生成的金屬納米顆粒的催化特性，可用于制備小型的仿生催化傳感器，可以結合其運動行為檢測環(huán)境中的重金屬，如Hg（II）等。

第三，由于電極表面具有豐富的微納結構，還可用于微型電容器的制造，同時生物材料如纖維素具有良好的柔性，因此可以用于可穿戴的柔性電極的制造。

該技術既可以銜接生物高分子激光原位制造過程中，也可與傳統(tǒng)的微納加工技術相兼容。

在傳統(tǒng)光刻技術中，研究人員通過使用納米纖維素，在界面上構建微納結構調控表面結合力的方式，從而實現(xiàn)對傳統(tǒng)光刻分離方法接近1個數(shù)量級的加速。

研究人員通過生命周期評價，系統(tǒng)地評估了該方法與傳統(tǒng)光刻方法在生產導電器件過程中的環(huán)境影響。

結果顯示，該技術在碳排放上可降低2個數(shù)量級以上，同時在化學品使用和后端二氧化碳排放上也具有顯著優(yōu)勢。

在研究前期工作中，主要關注基于小規(guī)模激光制造方法，因此如何實現(xiàn)大規(guī)模制造并應用于大規(guī)模場景是一個挑戰(zhàn)。

為解決該問題，研究人員結合卷對卷制造工藝進行研發(fā)，成功開發(fā)了一套卷對卷生產工藝并實現(xiàn)了紙基電子器件大規(guī)模生產和轉移。

日前，相關論文以《一種用于可持續(xù)器件微制造的仿生滲透結方法》為題發(fā)表。

在接下來的研究中，團隊將致力于探索如何使電子產業(yè)更綠色環(huán)保，重點關注電子制造過程中的碳排放問題，并從上游生產制造到有效的數(shù)字化評估等多個方面進行深入研究，以推動電子產業(yè)的綠色轉型。