幾乎每隔幾個月就會有一款新的手機(jī)、筆記本電腦或平板電腦上市，想要拿到它的人們在街角排起長隊(duì)。許多類似蘋果這樣的企業(yè)通過不斷推出新的、稍微先進(jìn)的電子產(chǎn)品取得了巨大的商業(yè)成就，但這些電子產(chǎn)品短的使用期限對環(huán)境產(chǎn)生了許多不利影響。

現(xiàn)代電子設(shè)備中裝滿了電路板、各種金屬和塑料。其中一些材料是有毒的，一些材料則會分解出有毒物質(zhì)。目前全球各國都在努力推動電子廢物的回收利用，回收可重復(fù)使用的材料，并妥善處置其余的廢物。但大多數(shù)設(shè)備最終都會成為垃圾填埋場中的電子垃圾。

新的發(fā)現(xiàn)讓人們有機(jī)會制造出可生物降解的電子產(chǎn)品，而不是向不斷增高的垃圾堆上添加更多的垃圾。這就是我還有其他研究人員探索紙基電子學(xué)，即所謂的“紙電子學(xué)”這一新興領(lǐng)域的原因。它可以創(chuàng)造出柔性的，可折疊的，可持續(xù)的，對環(huán)境友好的，成本低廉的新型電子材料。

為了實(shí)現(xiàn)真正的環(huán)保，紙質(zhì)電子學(xué)不能使用由金屬和苛性堿制成的傳統(tǒng)電池來儲存和釋放電力。最近，化學(xué)家同事奧莫文米·薩迪克(OmowunmiSadik)和同事開發(fā)了一種可回收、可生物降解的紙電池，它的可靠性非常高，可以在實(shí)驗(yàn)室外實(shí)際使用（先進(jìn)的可持續(xù)系統(tǒng)，“綠色生物電池：混合紙-聚合物-微生物燃料電池”）。這種電池成功的關(guān)鍵是使用了合適的微生物。

一種基于紙和細(xì)菌的可折疊、可生物降解的電池在電子領(lǐng)域創(chuàng)造了一個新機(jī)遇。

柔性生物電池

他們開發(fā)的這種柔性電池由唾液等提供動力(先進(jìn)材料技術(shù)，“新的紙技術(shù)、可降解的生物電池：激活接種在紙張上的微生物獲得電能”)。人們試圖為紙質(zhì)電子產(chǎn)品提供動力時，嘗試用紙張制造電池就具有重要意義。幸運(yùn)的是，紙是一種很好的潛在電池材料：它是柔性的，并且是一種很容易吸收和釋放液體的絕緣體，這使得它成為安放電子元件的良好平臺。研究人員添加了聚酰胺酸、聚苯四氫和對苯二胺等聚合物以改善紙的電學(xué)特性。

然后，研究人員使用細(xì)菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池中的金屬和酸，實(shí)現(xiàn)在電池中儲存能量。這種電池被商業(yè)化的時候，會使用對人類和環(huán)境都是安全的細(xì)菌來減少對環(huán)境的污染。

細(xì)菌附著在粗糙和多孔的紙上，通過分解植物材料或廢水等所有可用的有機(jī)物質(zhì)來產(chǎn)生的能量。目前，研究人員正在對原材料進(jìn)行預(yù)處理，但原材料也可以直接取自自然環(huán)境。這一過程中的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生電子。通常，這些電子在細(xì)菌反應(yīng)中會與氧氣結(jié)合，但研究人員已經(jīng)制作出限制氧氣的電池，并使用了一個新的電極，最終研究人員可以捕捉到電子的流動，并利用它來驅(qū)動設(shè)備。

研究人員擔(dān)心氧氣會進(jìn)入紙張，阻斷細(xì)菌之間的電子流動，從而降低電池的效率。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管這種情況確實(shí)存在，但它的影響微乎其微。這是因?yàn)楸姸嗟募?xì)菌細(xì)胞緊密地附著在紙纖維上，它們形成的多層生物膜保護(hù)了內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)不受氧氣的影響。

研究人員還想要制作一種可以生物降解的電池。電池中的細(xì)菌一旦釋放能量，就能將紙張和聚合物分解成無害的成分。這種電池在水中不用任何特殊的設(shè)備或其他微生物來幫助就能很容易被降解。

這種聚合物紙基結(jié)構(gòu)是柔性的，并且重量輕、成本低。這種柔性材料還允許電池像普通的紙一樣折疊，可以極大地提高電池的能量密度。

承諾和機(jī)遇

紙電子學(xué)在資源有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)特別有用，因?yàn)槭怯杉?xì)菌提供動力，所以即使是在最極端的條件下，它們也能分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生電子提供電能。他們也不需要一個結(jié)構(gòu)完善的電網(wǎng)。此外，盡管紙電池設(shè)計(jì)為一次性電池，但它們的材料是可回收的，可以使用再生紙制造出新電池。

紙基生物電池對未來的電子設(shè)備來說具有革命性意義。它們的制造是相當(dāng)簡單的，使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝如滾印和絲網(wǎng)印刷等，就可以實(shí)現(xiàn)聚合物和細(xì)菌與紙張的混合（RSCAdvances，“聚合物熱電模塊絲網(wǎng)印刷紙”）。

其他材料也可以添加到紙電池中，比如金屬、半導(dǎo)體、絕緣體和納米粒子。這些材料可以為紙基設(shè)備添加更好的性能和更多的功能，為開發(fā)下一代電子產(chǎn)品打開新的大門。