杜克大学的工程师们创造了世界上第一个可以完全回收的印刷电子产品。他们的创新解决方案在制造过程中用水取代了有害化学品的使用，从而减少了环境影响和使用有害化学品带来的潜在健康风险。这一示范为该行业开辟了一条新的途径，以减少其生态和健康足迹。该研究最近发表在《纳米通讯》杂志上。

电子产品制造商面临的主要障碍之一是成功地将几层元件固定在彼此之上，这对生产复杂的设备至关重要。这可能是一项具有挑战性的任务，特别是对于印刷电子产品来说，确保各层的适当粘附往往是一个令人沮丧的根源。

如果你要做一个花生酱和果冻三明治，在任何一片面包上加一层都很容易，领导这项研究的杜克大学电子和计算机工程系阿迪教授亚伦-富兰克林解释说。但是如果你先把果冻放下去，然后试图在上面涂上花生酱，那就很困难，因为果冻不会保持原状，会与花生酱混合。把各层放在彼此的上面并不像把它们自己放下来那么容易--但如果你想用印刷技术建造电子设备，情况也差不多，但必须这么做。

在以前的工作中，富兰克林和他的小组展示了第一个完全可回收的印刷电子产品。这些设备使用了三种碳基油墨：半导体碳纳米管、导电石墨烯和绝缘的纳米纤维素。在试图将原始工艺调整为只使用水时，碳纳米管带来了最大的挑战。

一台喷墨打印机将碳基电子油墨层层叠加，创造出只需用水就能完全回收的晶体管，而不是需要苛刻的有毒化学品。资料来源：Jason Arthurs摄影

为了制造出碳纳米管不会聚集在一起并在表面均匀分布的水基墨水，需要添加一种类似于洗涤剂的表面活性剂。然而，由此产生的墨水并没有创造出足够密集的碳纳米管层，以使高电流的电子能够穿过。

富兰克林说：你希望碳纳米管看起来像散落在平面上的面条，但使用水基墨水，它们看起来更像是被一个一个地扔在墙上检查是否熟透。如果我们使用化学品，我们可以一次又一次地打印，直到有足够的纳米管。但水并不是这样的。我们可以做100次，仍然会有和第一次一样的密度。

这是因为用于保持碳纳米管不结块的表面活性剂也阻止了额外的层粘附在第一层上。在传统的制造过程中，这些表面活性剂将使用非常高的温度来去除，这需要大量的能源，或者使用苛刻的化学品，这可能会对人类和环境健康造成威胁。富兰克林和他的小组希望能避免这两种情况。

在论文中，富兰克林和他的小组开发了一个循环过程，在这个过程中，设备被用水冲洗，在相对较低的温度下干燥，然后再次印刷上去。当墨水中使用的表面活性剂的数量也被调低时，研究人员表明他们的墨水和工艺可以创造出功能齐全、完全可回收、完全基于水的晶体管。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机元件，用于电源控制或逻辑电路和传感器等设备。富兰克林解释说，通过首先展示一个晶体管，他希望向该领域的其他人发出信号，即有一条可行的道路可以使一些电子制造过程更加环保。

富兰克林已经证明，用于印刷的碳纳米管和石墨烯几乎100%可以在同一过程中被回收和重复使用，且几乎不损失物质或其性能。因为纳米纤维素是由木材制成的，它可以像纸一样简单地被回收或生物降解。虽然这个过程确实使用了大量的水，但它依然没有处理传统制造方法中使用的有毒化学品所需的水多。

根据联合国的估计，每年被扔掉的数百万磅电子产品中，只有不到四分之一被回收。而且，随着世界最终升级到6G设备和物联网（IoT）的不断扩大，这个问题只会变得更糟。因此，在这个日益增长的电子垃圾山中，任何可能的凹陷都是重要的追求。

虽然还有更多的工作要做，但富兰克林说，这种方法可用于其他电子元件的制造，如现在社会上无处不在的屏幕和显示器。每个电子显示屏都有一个类似于论文中所展示的薄膜晶体管的背板。目前的制造技术是高能量的，并依赖于危险的化学品以及有毒气体。整个行业已经被美国环境保护局标记为需要立即关注。

富兰克林说：我们的薄膜晶体管的性能不能与目前制造的最好的相提并论，但它们的竞争力足以向研究界表明，我们都应该做更多的工作来使这些工艺更加环保。