中科大俞书宏院士团队，Nature Sustainability！
2025-07-29
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研究背景
电子垃圾的快速积累已成为全球日益关注的问题。为构建可持续的电子产业未来，亟需开发兼具可回收性和所需性能的电子材料。现有策略正效仿塑料领域，探索降解与回收路径。闭环回收，即在不损害材料质量的前提下实现再利用，对于减轻全球环境负担和建立循环材料经济至关重要。
关键问题
然而，电子产品的回收主要存在以下问题：
1、现有回收方法效率低且条件苛刻
现有的开环回收和闭环化学回收方法存在回收材料性能受损或回收条件苛刻等问题。由于电子产品组件多样且结构复杂，其回收仍面临部分组件难以处理、能耗高以及材料质量受损等挑战。
2、闭环生物可回收性设计要求高
设计具有闭环生物可回收性的材料，对生物制造、生物解构以及两者之间的兼容性提出了极高的要求。
新思路
有鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士、管庆方等人开发了一种用于可持续电子的闭环生物可回收纤维素基介电薄膜。作者将生物制造策略—气溶胶辅助生物合成与特定的酶降解相结合，以获得闭环的生物可回收性。细菌在气溶胶辅助生物合成中的自发行为和人工三明治结构设计协同赋予了介电薄膜高拉伸强度、低介电常数和低热膨胀系数，增强了其适用性。这项工作为改善电子的循环性提供了一种可行的方法，为更可持续的电子行业铺平了道路。
技术方案：
1、提出气溶胶辅助生物合成（AABS）策略
通过AABS策略引入填料GB，成功制备出具有三明治结构的BC基介电薄膜，兼具优异介电性能和生物可回收性。
2、探讨了介电膜的力学性能和热学性能
AABS策略和三明治结构设计使薄膜力学性能优异，薄膜拉伸强度达117.09 MPa，抗疲劳性能卓越，热膨胀系数低，热机械稳定性好，优于商用介电聚合物。
3、展示了介电薄膜卓越的介电性能
纤维素基介电膜在室温下介电常数低（<1.41），损耗小（1 MHz时为0.003），且高温下性能稳定。其低介电常数源于高孔隙率结构。
4、实现了介电薄膜的闭环生物回收
纤维素基介电薄膜通过酶降解与AABS策略实现闭环生物回收，温和解聚纤维素为葡萄糖，分离出高纯度银和可再利用的GBs，展现了可持续性和经济性。
技术优势：
1、开创性地提出闭环生物回收策略
本文首次提出并实现了将气溶胶辅助生物合成与特定酶降解相结合的闭环生物回收策略。这种方法能够在温和条件下无损地回收电子材料中的主要组件，并使其性能保持与原始材料一致，为解决电子垃圾问题提供了全新的、可持续的途径。
2、设计并制备了高性能生物基介电薄膜
通过AABS策略和独特的三明治结构设计，协同赋予了生物制造的纤维素基介电薄膜优异的综合性能。AABS策略实现了玻璃微球与纤维素纳米纤维之间高效结合，从而在材料中保留了大量空气，极大降低了介电常数，使其在无线通信领域具有巨大应用潜力。
技术细节
材料设计与生物制造策略
无线通信发展对电介质材料提出了低介电常数、低损耗、可降解和可回收等要求。天然生物聚合物（如纤维素、丝、甲壳素）为满足这些要求提供了新途径。其中，细菌纤维素（BC）因其高纯度、高结晶度和天然三维网络，成为理想的介电材料基质。为提升其性能和可回收性，需引入合适填料，AABS策略可有效解决填料含量与机械性能的平衡问题。研究中，以中空结构、低密度、良好分散性和化学稳定性著称的GB作为填料，通过控制其加料时间和频率，一步组装出具有三明治结构的BC基复合水凝胶。最终得到的BC-BC/GBs-BC介电薄膜，不仅介电性能优异，还具备良好的柔韧性和闭环生物可回收性。其微观结构为连续的三维纤维素网络，贯穿各层，无明显界面，表面光滑，晶体结构与BC相似。
图 具有闭环生物可回收性的纤维素基介电膜
图 纤维素基介电薄膜的结构表征
电介质薄膜的力学和热学性能
AABS策略与三明治结构设计协同赋予了薄膜优异的力学性能。与非三明治结构薄膜相比，三明治结构薄膜的力学性能更佳。特别是，AABS法制备的BC–BC/GBs–BC薄膜拉伸强度达117.09 MPa，比真空辅助过滤法制备的薄膜高出三倍以上。这得益于AABS过程中细菌自发形成的连续三维CNF网络，有效连接了GBs并能更高效地分散机械应力。该薄膜还展现出卓越的抗疲劳性能，在10万次弯曲测试后仍能保持高拉伸强度和模量。其在−150 °C至150 °C范围内的平均热膨胀系数为5.66 × 10⁻⁶ K⁻¹，低于大多数商用介电聚合物，且在−100 °C至200 °C下保持良好的热机械稳定性
图 纤维素基介电薄膜的机械性能和热性能
介电性能及机理分析
生物制造的纤维素基介电薄膜展现出卓越的介电性能。在1 kHz至1 MHz和8–18 GHz频率范围内，其介电常数均低于1.41，在1 MHz频率下介电损耗仅为0.003。该薄膜的介电常数随温度变化极小，从室温升至200 °C仅增加约0.013，且该变化可逆。在10 GHz频率下，介电常数仍保持在1.136的优异水平。薄膜的低介电常数归因于BC/GBs层固有的高孔隙结构，即GBs之间和内部存在大量空气。AABS策略不仅确保了高含量GBs的引入，还通过BC的高效键合最大程度地保留了紧密堆积GBs之间的空气，显著提升了介电性能。用该薄膜制成的电子产品，其信号损耗明显低于商用环氧树脂基板。
图 纤维素基介电薄膜介电性能机理分析
闭环生物循环
与大多数仅具有生物降解性的纤维素基材料不同，本研究的纤维素基介电薄膜通过酶降解与AABS策略的结合，实现了闭环生物回收。纤维素酶能特异性地将纤维素解聚为葡萄糖，且不影响其他组分。利用组分间的密度差异，可以简便地分离漂浮的GBs、葡萄糖溶液和沉淀的银。回收的GBs和葡萄糖可用于新的生物制造过程，而回收的银纯度高达99.66%。回收后的薄膜和电子产品在介电、机械和热性能上与原始产品几乎无异。生命周期评估显示，与商用环氧-二氧化硅复合介电薄膜相比，该生物制造的纤维素介电薄膜在所有环境影响类别中均表现出更低的影响。
图 在纤维素基介电膜上制造的可持续电子产品的闭环生物回收
展望
总之，本研究证实了AABS（特别是纤维素酶水解）闭环生物回收是复合材料机械和化学回收的有前途的替代方案。其温和条件和特异性可实现非破坏性回收，为可持续材料发展提供新思路。研究提出一种可持续电子产品的回收方法，但实际电子产品复杂，需逐步建立完全可回收的电子材料和设备制造方法，以减轻电子垃圾的环境影响。
参考文献：
Zhao, YX., Han, ZM., Ding, S. et al. Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics. Nat Sustain (2025).
