电子产品世界

当下，量子计算、光电子、太赫兹波等众多领域都在开展前沿创新研究，这也让一些规模更小、并非万众瞩目但同样颇具价值的研究领域容易被忽视。即便这些研究未必能实现市场化或商业成功，却也展现出科研界大大小小的探索努力。更何况，谁也无法预知，哪些研究成果会意外走向实用化，或是攻克某个细分领域的关键难题。

本文将介绍其中两项研究成果，二者虽无关联，却同为现代电子技术的核心 —— 电池与印刷电路板。

益生菌供能的可溶解电池

美国宾厄姆顿大学的研究人员研发出一款由商用益生菌供能的瞬态生物电池，该电池可无害溶解，分解后仅释放有益微生物。这款生物电池制备于水溶性或 pH 响应性基底之上，采用由 15 种益生菌组成的混合菌株发电，这类益生菌是摄入后对人体有益、无其他副作用的活微生物，可在多种电极材料上完成电能转化。

通过调整器件尺寸，或采用 pH 敏感型聚合物对其进行封装，可将电池的供电时长精准调控在 4 分钟至 100 分钟以上。单块电池模组的输出功率为 4 微瓦，输出电流 47 微安，开路电压 0.65 伏。为实现低成本、可规模化生产，该电池可通过印刷或铅笔手绘的方式制作在可溶解纸张上，毛细微流道内可设计不同长度的电极，或布置不同数量的蛇形电极。

值得注意的是，研发这类瞬态、可生物吸收电子器件的核心目标，并非业界反复提及的减少电子垃圾，而是让电池实现预设时长的短期工作，在完成使命后安全分解。这一特性非常适用于器件回收不切实际或无需回收的场景，例如临时植入式医疗设备、环境传感器、一次性安防设备等。

这款生物电池的所有组件 —— 包括基底、印刷蜡质边界与隔膜、铅笔手绘电极以及普鲁士蓝正极，都被设计为可随基底在水中溶解而逐步分解（见图1）。

1. 一个瞬态益生菌驱动的生物电池，安装在可溶解纸质基底上：（a） 短暂生物电池的示意图，设计在可溶解纸平台上，由益生菌供能。（b） 展示生物电池的可打印性和可扩展性，展示电极长度的变化以及毛细微流控通道中集成的蛇形电极数量。（c） 优化版瞬态生物电池，封装于低pH敏感聚合物中，增强对溶解和激活的控制。

该电池所使用的水溶性纸张主要由生物基材料制成，如木浆纤维与天然纤维素成分的复合物。纸张接触水后，纤维素会溶解，木浆纤维则分散为微纤维；纤维素的亲水性会促进其与水分子结合，进而加速纸张结构的分解，推动这一溶解过程的完成。

这款电池的制作工艺相对简便，类似多层涂覆的操作流程，无需半导体工艺或其他先进制造技术支持（见图2）。研究人员测试了多种配方的电池性能，分别搭配 100 千欧、10 千欧和 1 千欧的阻性负载进行验证。

2. 以低pH敏感聚合物包裹的益生菌驱动生物电池：（a） 水平布局益生菌供能生物电池的图像，展示其在不同电极数量下可扩展性。（b） 一。益生菌驱动的生物电池（n=4）在pH敏感聚合物封装可溶解纸基底上开发的横断面示意图，以及其在低pH溶液中工作时随时间变化的开路电压（OCV）。（b） ii.益生菌驱动生物电池（n = 4）的横断面示意图，外包有额外的低pH敏感聚合物，显示其在运行过程中随时间变化的OCV特征。（c） 普鲁士蓝阴极的CV剖面，比较有无MnO2纳米颗粒的性能。（d） 生物电池的电流-电压（I–V）特性及功率曲线，比较普鲁士蓝-MnO2复合阴极与仅含普鲁士蓝阴极的阴极。（普鲁士蓝于18世纪初开发，是最早的持久合成颜料之一;其正式名称是六氰化铁，是一种复杂的铁盐。）

研究人员指出，此前已有以非益生菌微生物供能的生物电池被成功研发为独立电源，但这类电池的材料存在微生物细胞毒性相关隐患，还会带来健康风险，因此其应用范围大多局限于一次性、不可溶解的设备。

而这款益生菌供能电池，依托已被验证的益生菌安全性与健康益处，非常适合医疗领域和环境敏感场景中的瞬态、可生物吸收设备应用。

相关研究成果已发表于威立出版社旗下的《Small》期刊，论文题为《可溶解益生菌供能生物电池：适用于瞬态设备的安全生物相容性能源解决方案》，期刊还同步发布了补充材料，包含更多研究细节。

可回收、可自修复的电子器件

无论是低成本酚醛树脂、应用最广泛的 FR4 材料，还是其他特殊材质，印刷电路板都是电子电路和电子设备的物理基础。但回收电路板、甚至提取板载元器件以回收贵金属的过程，却存在诸多难点 —— 电路板本身的高耐用性特性，使其难以被拆解处理。

为解决这一难题，弗吉尼亚理工大学的研究团队研发出一种潜在的电子垃圾解决方案：一款可回收材料，能让电子器件更易拆解和复用。该团队开发出全新品类的电路基材，兼具可回收、导电、可重构的特性，受损后还能实现自修复，同时保留了传统电路板塑料的强度与耐用性 —— 这些特性很难在单一材料中同时实现。

这款新材料以动态聚合物玻璃离聚物为基底，这类聚合物因可重塑、可回收的特性，再度受到科研界的关注；研究人员将液态金属微滴融入玻璃离聚物，制成液态金属 - 玻璃离聚物微滴复合材料，该材料可像传统电路板中的刚性金属一样传导电流。此外，这类玻璃离聚物电路板在寿命终结后，可通过碱水解工艺拆解，实现液态金属、发光二极管等核心元器件的回收。

该校化学系助理教授 Josh Worch 表示：“传统电路板由永久性热固性材料制成，极难回收；而我们研发的这款动态复合材料，若出现损坏，可通过加热实现修复或重塑，且其电学性能不会受影响，这是现代传统电路板完全无法做到的。”

此前研发的融入液态金属的复合材料，多聚焦于为柔性设备打造永久性共价网络或物理交联网络，而这款液态金属 - 玻璃离聚物复合材料，实现了多项特性的独特融合：具备导电性、优异的热机械性能、高模量，且在高负载或形变条件下导电性能不会衰减，同时还可回收（见图3）。

3. 液态金属（LM）-三三组体导电复合材料及回收工艺：（a） LM复合材料中动态共价聚合物网络机制示意图。（b） LM-四三三体导电复合材料的制造与化学回收示意图。（c） 异构LM-vitrimer复合结构示意图（左），附有自上而下和横截面显微图像（右）。（d） 演示1.5毫米厚的LM-vitrimer复合样品，在LED亮起时支撑9公斤重量。

研究人员通过剪切混合工艺，将液态金属融入玻璃离聚物聚合物基体中；这款复合材料兼具热塑性和热固性材料的固有特性，其高度交联的网络结构，使其拥有远超同类材料的机械强度和刚性。研究人员制作了一个搭载单颗发光二极管的简易电路，验证了这一特性（见图4）。

4. LM-四三三体导电复合材料的演示：（a） LM-四三三体复合LED器件的制造。（b）制造的LM-vitrimer复合LED器件照片。（c） LM-vitrimer导电复合材料，在为LED供电时承受9公斤重物。（d） 形状记忆行为的示意图。（e）示意图（左）和图片（右），显示LED器件被重新塑形为圆柱形。（f） 通过加热恢复形状记忆的图像序列。（g）LM-四三体复合物在5M NaOH溶液中解体的图像序列。（h）从退化复合材料中提取了LM和LED芯片。（i） 控制环氧（无酯功能）LM复合材料，浸泡于5M NaOH溶液三天后无降解。

研究团队还通过化学回收实验，验证了该复合材料的可降解性。器件达到使用寿命后，其内部的珍贵资源需要被回收；由于该复合材料的基体中含有酯键，可通过氢氧化钠水溶液进行碱催化水解，实现材料降解。这一特性也让研发全玻璃离聚物基底电路板成为可能，这类电路板可集成传感器、指示用发光二极管，并采用液态金属 - 玻璃离聚物复合材料制作导电线路。

得益于基体中的动态酯键，以及可重构的液态金属微滴网络，该复合材料还具备自修复能力。为验证这一特性，研究人员用刀片在复合材料表面划出切口，借助材料的焦耳热效应，通过加热触发自修复机制；仅 10 分钟，复合材料就通过升温、结构重构，完成了切口的修复。

为验证该材料在下一代可持续电子器件中的应用潜力，研究团队制作了一块全玻璃离聚物基底电路板：基底为带有动态酯键的透明玻璃离聚物薄片，电路层则是丝网印刷的液态金属 - 玻璃离聚物复合材料，该电路并联集成了两组发光二极管和霍尔效应传感器（见图5）。

5. LM三聚体电路演示：（a）霍尔效应传感器电路示意图，LED通过组装在纯聚体上的LM三三体复合互连器连接。（b）电路设计，包含两个霍尔效应传感器和六个LED（红绿各三个）。（c） 由LM-含三酯复合表面的磨蚀力产生的导电互连电路。（d） 当绿色LED因磁场作用于连接的霍尔效应传感器而点亮时的电路照片。（e） 红色LED亮起的照片。（f） 通过加热重新配置后，电路的功能得到了证明。（c）到（f）中的图像跟随（f）中的比例条。

相关研究成果已发表于威立出版社旗下的《Advanced Materials》期刊，论文题为《适用于可回收、高韧性电子器件的液态金属 - 玻璃离聚物导电复合材料》，期刊还附带了补充材料及四段演示短视频，完整呈现了该项研究的细节。

关键词： 可溶解电池 益生菌 可回收 可自修复