材料科學(xué)家們正在想方設(shè)法利用紙、蜂蠟、DNA以及其他生物材料制作電路。
據(jù)聯(lián)合國估算，人類每年丟棄的電子設(shè)備累計(jì)約5000萬噸。部分科學(xué)家表示，緩解該問題的一種方法便是使用生物材料（包括植物染料和DNA）制造可生物降解且具有生物相容性的設(shè)備。
在美國材料學(xué)會于2014年12月份在波士頓召開的有機(jī)生物電子學(xué)研討會上，米哈伊?伊里米亞-瓦杜迪（Mihai Irimia-Vladu）發(fā)言說：“我們應(yīng)該為人類制造的數(shù)量如此龐大的電子垃圾感到羞恥。”伊里米亞-瓦杜迪是奧地利魏茨約阿內(nèi)研究院的一位材料科學(xué)家，他曾使用纖維素制作倒相電路中的介電層，使用蟲膠作為有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)的電介質(zhì)。他表示，許多其他的生物材料也可以改造成適宜的電介質(zhì)，包括蘆薈、蠶絲和蛋白。伊里米亞-瓦杜迪說，蜂蠟和棕櫚蠟（從一種棕櫚樹中獲取的蠟）可以用來制造疏水性電介質(zhì)，這種電介質(zhì)可以在部分應(yīng)用中發(fā)揮作用。
伊里米亞-瓦杜迪還表示，使用生物材料制造電子設(shè)備比較環(huán)保，部分原因在于這些材料能夠進(jìn)行生物降解，可以減少垃圾堆積。此外，這些材料與那些具有相同作用的非有機(jī)材料不同，它們是無毒的，而且生產(chǎn)過程消耗的能源也相對較少。伊里米亞-瓦杜迪設(shè)想制作置于硬明膠膠囊中或焦糖上的OFET，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。另外一位研究人員——澳大利亞臥龍崗大學(xué)軟材料小組牽頭人馬克?因?海特?潘休斯（Marc in het Panhuis）教授正在研究具有傳導(dǎo)性、可進(jìn)行3D打印的明膠，這種明膠可以用來制造可吞咽的傳感器電路。
其實(shí)，生物可降解物質(zhì)并非只能用于制作導(dǎo)體和絕緣體。伊里米亞-瓦杜迪表示：“有些天然材料便具有半導(dǎo)體屬性。”他的研究表明，靛青植物染料和從蝸牛中提取的泰爾紫染料具有電荷載體輸送性，未來極有希望使用這兩種染料制作高性能電路。
在尋找電子材料的過程中，其他研究人員正在轉(zhuǎn)向一個(gè)更為基礎(chǔ)的生物層面。辛辛那提大學(xué)納米電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人安德魯?斯特科爾（Andrew Steckl）一直在研究一種有機(jī)LED，這種LED使用DNA作為電子阻擋層，從而可以降低設(shè)備電力消耗。斯特科爾實(shí)驗(yàn)室的一位博士生伊利亞特?戈麥斯（Eliot Gomez）在此次有機(jī)生物電子學(xué)研討會上表示，目前斯特科爾團(tuán)隊(duì)的研究工作已經(jīng)更進(jìn)了一步。他們已經(jīng)將使用構(gòu)成DNA的核酸（包括腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶）以及RNA中所含的尿嘧啶制成的薄膜集成到OLED中。使用單獨(dú)的核酸而非整個(gè)DNA分子的有利之處在于不同的核酸具有不同的電子屬性。例如，鳥嘌呤和腺嘌呤在輸送孔和阻隔電子方面的表現(xiàn)更為優(yōu)異，而另外3種核酸則與之相反。
戈麥斯表示，使用這些核酸作為電子阻隔層的OLED的能效高達(dá)76坎德拉/安培，其發(fā)光率為13萬坎德拉/平方米，與之相比，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的能效和發(fā)光率則分別為31坎德拉/安培和10萬坎德拉/平方米。
戈麥斯希望能夠制作一款純天然的OLED，但這卻是項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。他表示：“OLED由多個(gè)具有極高要求的結(jié)構(gòu)層組成，我們還需要發(fā)掘更多可供使用的天然材料。”
位于芬蘭圖爾庫的埃博學(xué)術(shù)大學(xué)的研究人員正在開發(fā)環(huán)境友好型原件，以供在紙張上打印邏輯電路。埃博學(xué)術(shù)大學(xué)的一名博士生費(fèi)德里克?貝德森（Fredrik Pettersson）在此次有機(jī)生物電子學(xué)研討會上表示，他們已經(jīng)成功地將一種新型晶體管中的離子液體替換為由氯化膽堿（一種營養(yǎng)劑）和尿素、甘醇或維生素C等有機(jī)化合物組成的混合物。
這種晶體管仍使用了一種在環(huán)保方面稍微遜色的有機(jī)半導(dǎo)體。但是，研究小組已經(jīng)找到了有效的方法，將晶體管需要的半導(dǎo)體數(shù)量降至最低水平。其具體做法是將晶體管和一種絕緣體混合在一起，令半導(dǎo)體和絕緣體在鍍層過程中分離，最終他們將絕緣體留在紙上，半導(dǎo)體薄層再覆在絕緣體上層。由于絕緣體可防止紙中所含污染物滲入半導(dǎo)體導(dǎo)致半導(dǎo)體性能退化，因此研究小組便可以使用較少的半導(dǎo)體材料，同時(shí)他們還收獲了另外一個(gè)好處——晶體管的開關(guān)速度更快，而需要的電流卻更少了。貝德森介紹說，研究小組利用這種晶體管制造出了一款或非門和一個(gè)1位存儲單元。此外，芬蘭的研究人員還制造出了紙基超級電容器。
貝德森尚未研究這種新型的、更加環(huán)保的晶體管能否進(jìn)行生物降解。但是這一點(diǎn)似乎并不是必需的。約阿內(nèi)研究院的伊里米亞-瓦杜迪指出，“環(huán)境友好型電子設(shè)備”擁有多種定義，他說：“他們的綠色程度是各不相同的。”
作者：Neil Savage