電子技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致全球消費(fèi)電子產(chǎn)品銷售額爆 炸式增長(zhǎng)，2019年達(dá)到1.032億美元，每年產(chǎn)生超過(guò)5360萬(wàn)噸電子垃圾。隨之而來(lái)的消費(fèi)電子產(chǎn)品的回收成為一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冎械拇蠖鄶?shù)(約83%)被不負(fù)責(zé)任地處理，產(chǎn)生了多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯、聚氯乙烯、鉛、鎘和汞等有害物質(zhì)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和公共健康問(wèn)題。在回收的電子產(chǎn)品中，有大量的電子產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了粗糙和過(guò)于簡(jiǎn)化的處理，包括人工拆解、露天焚燒和酸浸。這些方法可能對(duì)人類健康和環(huán)境造成重大危害。而瞬態(tài)可降解電子器件可以在完成預(yù)設(shè)任務(wù)或使用壽命后自行發(fā)生部分或全部溶解，對(duì)于解決電子垃圾問(wèn)題具有重要意義。目前瞬態(tài)電子器件主要采用無(wú)水無(wú)氧的CMOS方法以及新興的印刷電子技術(shù)進(jìn)行加工，前者較為苛刻的加工條件限制了瞬態(tài)電子大規(guī)模加工和進(jìn)一步發(fā)展，而后者由于目前瞬態(tài)導(dǎo)電油墨的原材料選擇有限，且印制瞬態(tài)圖案的燒結(jié)需要在惰性氣體的保護(hù)下利用光脈沖和激光燒結(jié)等大型設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)，不僅使得瞬態(tài)電子器件加工過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又因燒結(jié)產(chǎn)生的高溫限制了瞬態(tài)襯底的材料的選擇。天津大學(xué)黃顯教授團(tuán)隊(duì)曾提出一種基于酸酐輔助室溫自燒結(jié)的鋅納米顆粒油墨可以用于瞬態(tài)PCB電路的制作，但是其單一瞬態(tài)金屬材料導(dǎo)電率的上限也限制了應(yīng)用范圍。

近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊(duì)在ACS Applied Materials & Interfaces 發(fā)表論文，報(bào)道了一種可用于可溶解消費(fèi)電子產(chǎn)品的引線互連的室溫水燒結(jié)納米復(fù)合材料，利用酸酐遇水產(chǎn)生弱酸的特性，基于局部電化學(xué)腐蝕以及飽和金屬離子再沉積的聯(lián)合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了納米復(fù)合材料在室溫環(huán)境下的溫和燒結(jié)，燒結(jié)后的瞬態(tài)可溶性材料的電學(xué)性質(zhì)與常規(guī)的銀導(dǎo)電材料相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了高性能的瞬態(tài)可溶性電路。納米復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程如圖1所示。納米復(fù)合材料中的酸酐遇水產(chǎn)生弱酸，弱酸與鋅納米顆粒以及銀納米線表面的氧化層發(fā)生反應(yīng)釋放金屬陽(yáng)離子，同時(shí)過(guò)量的酸會(huì)與鋅納米顆粒反應(yīng)釋放金屬陽(yáng)離子，由于鋅與銀之間存在活潑性差異，通過(guò)鋅納米顆粒的電偶腐蝕實(shí)現(xiàn)了鋅離子在銀納米線表面的沉積與覆蓋，隨后體系中游離的鋅離子與鋅單質(zhì)在鋅納米顆粒表面以及覆蓋了鋅的銀納米線表面自由交換而沉積，從而實(shí)現(xiàn)了納米粒子和納米線之間的導(dǎo)電路徑。最后，所有水分子的蒸發(fā)導(dǎo)致鋅酸鹽的析出，進(jìn)一步保護(hù)了導(dǎo)電鋅基體，實(shí)現(xiàn)了電路在日常環(huán)境中的高穩(wěn)定性。

圖1. 納米復(fù)合材料燒結(jié)機(jī)理

燒結(jié)后的納米復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能（圖2）。其中銀納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的納米復(fù)合材料的導(dǎo)電率高達(dá)3×105 S/m；在最大曲率半徑為3.5 mm的前提下，經(jīng)過(guò)8000次的反復(fù)彎折測(cè)試后導(dǎo)電率下降僅為8.9%；經(jīng)過(guò)100次專業(yè)測(cè)試膠帶的反復(fù)剝離之后，其導(dǎo)電率下降僅為5.8%。同時(shí)這種納米復(fù)合材料具有良好的電熱穩(wěn)定性，在施加0.9安培及以下的電流時(shí)，溫度上升小于10 °C,符合商用電路導(dǎo)線的電熱要求。

圖2. 納米復(fù)合材料的電學(xué)性能及機(jī)械性能

憑借其良好的電學(xué)性能和機(jī)械性能，該納米復(fù)合材料可以用于消費(fèi)電子設(shè)備的內(nèi)部引線。如圖3所示，基于納米復(fù)合材料通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方法在聚乙烯醇基板上實(shí)現(xiàn)了智能手表的印刷制作?？山到庵悄苁直沓丝梢燥@示時(shí)間日期以外，還可以實(shí)現(xiàn)人體血氧飽和度的采集以及行走步數(shù)的記錄。與此同時(shí)，手表可以與手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)互聯(lián)交互，在手表上實(shí)時(shí)接收手機(jī)的微信消息以及來(lái)電消息（圖4）。

圖3. 可降解智能手表及內(nèi)部構(gòu)造

圖4.可溶解智能手表的不同功能演示

此外，整個(gè)手表可以在兩天內(nèi)實(shí)現(xiàn)在水中的溶解，只剩余手表中不可降解的芯片、顯示屏、電池等器件，方便了器件的快速回收（圖5a）。同時(shí)，該納米復(fù)合材料具有良好的細(xì)胞相容性，為其作為植入式功能器件提供了更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖5.智能手表的溶解和細(xì)胞毒性研究

這種可以在室溫環(huán)境下水燒結(jié)的納米復(fù)合材料為瞬態(tài)印刷電子器件在電子系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和高效的方案。這種納米復(fù)合材料在合成和加工過(guò)程中能耗極低，只需要水或者水蒸氣就能夠?qū)崿F(xiàn)性能的飛躍，整個(gè)過(guò)程可以在室溫和空氣中進(jìn)行，為大規(guī)模商業(yè)化也帶來(lái)了便利。用戶無(wú)需自行購(gòu)買安裝燒結(jié)設(shè)備，僅需將導(dǎo)線暴露在潮濕環(huán)境或滴加水即可完成燒結(jié)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。基于這種納米復(fù)合材料制作的可降解智能手表可以在兩天內(nèi)實(shí)現(xiàn)降解，為解決電子垃圾以及芯片快速回收提供了重要技術(shù)。