杜克大學的工程師們創造了世界上第一個可以完全回收的印刷電子產品。他們的創新解決方案在製造過程中用水取代了有害化學品的使用，從而減少了環境影響和使用有害化學品帶來的潛在健康風險。這一示範為該行業開闢了一條新的途徑，以減少其生態和健康足跡。該研究最近發表在《納米通訊》雜誌上。

電子產品製造商面臨的主要障礙之一是成功地將幾層元件固定在彼此之上，這對生產複雜的設備至關重要。這可能是一項具有挑戰性的任務，特別是對於印刷電子產品來說，確保各層的適當粘附往往是一個令人沮喪的根源。

“如果你要做一個花生醬和果凍三明治，在任何一片麵包上加一層都很容易，”領導這項研究的杜克大學電子和計算機工程係阿迪教授亞倫-富蘭克林解釋說。”但是如果你先把果凍放下去，然後試圖在上面塗上花生醬，那就很困難，因為果凍不會保持原狀，會與花生醬混合。把各層放在彼此的上面並不像把它們自己放下來那麼容易–但如果你想用印刷技術建造電子設備，情況也差不多，但必須這麼做。”

在以前的工作中，富蘭克林和他的小組展示了第一個完全可回收的印刷電子產品。這些設備使用了三種碳基油墨：半導體碳納米管、導電石墨烯和絕緣的納米纖維素。在試圖將原始工藝調整為只使用水時，碳納米管帶來了最大的挑戰。

一台噴墨打印機將碳基電子油墨層層疊加，創造出只需用水就能完全回收的晶體管，而不是需要苛刻的有毒化學品。資料來源：Jason Arthurs攝影

為了製造出碳納米管不會聚集在一起並在表面均勻分佈的水基墨水，需要添加一種類似於洗滌劑的表面活性劑。然而，由此產生的墨水並沒有創造出足夠密集的碳納米管層，以使高電流的電子能夠穿過。

富蘭克林說：”你希望碳納米管看起來像散落在平面上的麵條，但使用水基墨水，它們看起來更像是被一個一個地扔在牆上檢查是否熟透。如果我們使用化學品，我們可以一次又一次地打印，直到有足夠的納米管。但水並不是這樣的。我們可以做100次，仍然會有和第一次一樣的密度。”

這是因為用於保持碳納米管不結塊的表面活性劑也阻止了額外的層粘附在第一層上。在傳統的製造過程中，這些表面活性劑將使用非常高的溫度來去除，這需要大量的能源，或者使用苛刻的化學品，這可能會對人類和環境健康造成威脅。富蘭克林和他的小組希望能避免這兩種情況。

在論文中，富蘭克林和他的小組開發了一個循環過程，在這個過程中，設備被用水沖洗，在相對較低的溫度下乾燥，然後再次印刷上去。當墨水中使用的表面活性劑的數量也被調低時，研究人員表明他們的墨水和工藝可以創造出功能齊全、完全可回收、完全基於水的晶體管。

與電阻器或電容器相比，晶體管是一種相對複雜的計算機元件，用於電源控製或邏輯電路和傳感器等設備。富蘭克林解釋說，通過首先展示一個晶體管，他希望向該領域的其他人發出信號，即有一條可行的道路可以使一些電子製造過程更加環保。

富蘭克林已經證明，用於印刷的碳納米管和石墨烯幾乎100%可以在同一過程中被回收和重複使用，且幾乎不損失物質或其性能。因為納米纖維素是由木材製成的，它可以像紙一樣簡單地被回收或生物降解。雖然這個過程確實使用了大量的水，但它依然沒有處理傳統製造方法中使用的有毒化學品所需的水多。

根據聯合國的估計，每年被扔掉的數百萬磅電子產品中，只有不到四分之一被回收。而且，隨著世界最終升級到6G設備和物聯網（IoT）的不斷擴大，這個問題只會變得更糟。因此，在這個日益增長的電子垃圾山中，任何可能的凹陷都是重要的追求。

雖然還有更多的工作要做，但富蘭克林說，這種方法可用於其他電子元件的製造，如現在社會上無處不在的屏幕和顯示器。每個電子顯示屏都有一個類似於論文中所展示的薄膜晶體管的背板。目前的製造技術是高能量的，並依賴於危險的化學品以及有毒氣體。整個行業已經被美國環境保護局標記為需要立即關注。

富蘭克林說：”我們的薄膜晶體管的性能不能與目前製造的最好的相提並論，但它們的競爭力足以向研究界表明，我們都應該做更多的工作來使這些工藝更加環保。”