俞书宏院士团队，最新Nature Sustainability

闭环生物可回收介电薄膜

电子产品更新换代的加速，正带来前所未有的电子废弃物危机。随着高性能器件的大量生产和快速淘汰，传统材料处理方式正面临环保瓶颈：机械回收无法保障材料性能，化学回收则常伴随高能耗和毒性副产物。在此背景下，发展既高性能又可持续循环的电子材料成为全球材料科学领域的紧迫课题。特别是电介质薄膜，作为电子器件中不可或缺的基础元件，其可持续性更是决定了绿色电子技术的边界。

在此，中国科学技术大学俞书宏院士和管庆方副研究员开发了一种可循环利用的纤维素基电介质薄膜，用于可持续电子产品。这种薄膜的制备采用了闭环生物循环的思路：作者结合了一种生物制造方法——气溶胶辅助生物合成技术，以及特定的酶降解方式，实现了材料的循环再利用。在这个过程中，细菌在气溶胶辅助环境下自然产生的行为，与作者设计的夹层结构相结合，使薄膜同时具备了高强度、低介电常数和低热膨胀系数等优良性能，进一步提升了它在电子领域的实用性。该材料不仅具备低介电常数、低热膨胀系数和优异的力学强度，还能在温和条件下实现完全生物降解和原材料回收，形成从“原料—产品—废弃物—原料”的真正闭环生物回收路径。相关成果以“Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为赵玉祥, 韩子盟和丁松为共同一作。

结构设计：自下而上的生物制造三明治复合薄膜

研究首先从材料构型出发，设计了一种上下对称、中间夹层填料的三明治结构。通过气溶胶辅助的生物制造工艺，细菌在培养过程中被有序供给营养和GBs气溶胶（图1a），从而原位构建出三层结构：上层和下层为纯BC组成的致密纤维网络，中间层则是GBs与细菌纤维素共同构建的复合层。整个过程无需后期组装，完全由细菌自组织完成（图1b）。所得材料在保持纤维素本征优势（如高结晶性和三维网络）基础上，通过夹层引入低密度的GBs填料，极大降低了整体介电常数。实验数据显示，其介电常数显著低于传统有机、无机及有机-无机复合材料（图1c），且闭环回收性则来源于两个关键步骤：AABS可生物合成薄膜，而酶解则可选择性分解纤维素，释放GBs等组分用于循环使用（图1d）。

图 1：具有闭环生物可回收性的纤维素基介电薄膜

微观结构：无界面连续网络的三明治结构

从扫描电镜、X射线断层成像到原子力显微镜等多种表征手段揭示了薄膜的连续微观结构（图2a–i）：GBs被CNFs三维网络包裹，填充紧密（图2b–d）；上下层BC通过CNF网络与中间层无缝连接（图2e–f）；经过干燥后，表面光滑平整（图2h–i）。不同于传统分层复合方式，该方法依靠细菌自组织形成连续三层结构，有效消除界面缺陷，提升整体性能。

图2：纤维素基介电膜的结构表征

介电膜的机械和热性能

为了评估结构设计对力学性能的影响，研究团队制备了四种对照样品，通过应力-应变测试发现，具备三明治结构的BC–BC/GBs–BC薄膜表现出远优于其他样品的拉伸强度和弹性模量（图3c–d）。尤其在疲劳测试中，该薄膜在10万次弯折后仍保持93%的强度、94%的模量和86%的韧性（图3f）。此外，受益于BC的结晶性，其热膨胀系数远低于商业聚合物，平均仅为5.66 × 10⁻⁶ K⁻¹（图3g），在−150°C至150°C的宽温范围内仍保持结构稳定（图3h）。

图 3：纤维素基介电膜的机械和热性能

介电特性和机理分析

该薄膜在1kHz至1MHz及8–18GHz频段下，介电常数低至1.329（图4a），介电损耗低至0.003，热稳定性极高。在200°C高温下，其介电常数仅上升0.013（图4b）。在10GHz时仍保持良好介电性能（图4c）。通过控制中间层厚度（图4d），实验、模拟和理论计算表明，厚度变化对整体介电常数影响极小（图4e–g），反映其结构均匀性和填料分布稳定性。更重要的是，实际应用中，该薄膜组装的电子器件信号损耗显著低于传统环氧基底（图4h），并具备出色的信号稳定性和热冲击抵抗力。

图4.纤维素基介电薄膜的介电性能与机理分析

闭环生物回收

研究通过纤维素酶水解实验，演示了薄膜及其制备的电子器件的可回收过程（图5a–b）：在温和条件下，材料可被降解为可回收的GBs（图5c）、高纯度葡萄糖（图5d–e）和银导体（图5f），并全部实现高效再利用。利用回收原料重新制造的薄膜性能几乎与原始样品无异，证明了生物闭环回收的可行性。生命周期评估显示，与传统环氧-硅薄膜相比，该材料在全球变暖、化石资源消耗等环境指标中显著更优（图5g），成本亦具有竞争力。

图5：在纤维素基介电薄膜上制造的可持续电子产品的闭环生物回收

小结与展望

本研究提出的“AABS+酶解”封闭式回收策略，不仅为电子薄膜材料提供了绿色解决方案，也为多组分复合材料的非破坏性回收提供了新路径。相比传统物理/化学回收方式，该方法以温和、生物选择性强为核心优势，降低能耗，提升回收纯度和材料再利用效率。未来，这一策略可拓展至柔性电子、生物传感器、能源器件等多个前沿领域，推动电子产品从“一次性消费”走向“可循环再生”。

来源：高分子科学前沿

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