當下，量子計算、光電子、太赫茲波等眾多領域都在開展前沿創新研究，這也讓一些規模更小、并非萬眾矚目但同樣頗具價值的研究領域容易被忽視。即便這些研究未必能實現市場化或商業成功，卻也展現出科研界大大小小的探索努力。更何況，誰也無法預知，哪些研究成果會意外走向實用化，或是攻克某個細分領域的關鍵難題。

本文將介紹其中兩項研究成果，二者雖無關聯，卻同為現代電子技術的核心 —— 電池與印刷電路板。

益生菌供能的可溶解電池

美國賓厄姆頓大學的研究人員研發出一款由商用益生菌供能的瞬態生物電池，該電池可無害溶解，分解后僅釋放有益微生物。這款生物電池制備于水溶性或 pH 響應性基底之上，采用由 15 種益生菌組成的混合菌株發電，這類益生菌是攝入后對人體有益、無其他副作用的活微生物，可在多種電極材料上完成電能轉化。

通過調整器件尺寸，或采用 pH 敏感型聚合物對其進行封裝，可將電池的供電時長精準調控在 4 分鐘至 100 分鐘以上。單塊電池模組的輸出功率為 4 微瓦，輸出電流 47 微安，開路電壓 0.65 伏。為實現低成本、可規?；a，該電池可通過印刷或鉛筆手繪的方式制作在可溶解紙張上，毛細微流道內可設計不同長度的電極，或布置不同數量的蛇形電極。

值得注意的是，研發這類瞬態、可生物吸收電子器件的核心目標，并非業界反復提及的減少電子垃圾，而是讓電池實現預設時長的短期工作，在完成使命后安全分解。這一特性非常適用于器件回收不切實際或無需回收的場景，例如臨時植入式醫療設備、環境傳感器、一次性安防設備等。

這款生物電池的所有組件 —— 包括基底、印刷蠟質邊界與隔膜、鉛筆手繪電極以及普魯士藍正極，都被設計為可隨基底在水中溶解而逐步分解（見圖1）。

1. 一個瞬態益生菌驅動的生物電池，安裝在可溶解紙質基底上：（a） 短暫生物電池的示意圖，設計在可溶解紙平臺上，由益生菌供能。（b） 展示生物電池的可打印性和可擴展性，展示電極長度的變化以及毛細微流控通道中集成的蛇形電極數量。（c） 優化版瞬態生物電池，封裝于低pH敏感聚合物中，增強對溶解和激活的控制。

該電池所使用的水溶性紙張主要由生物基材料制成，如木漿纖維與天然纖維素成分的復合物。紙張接觸水后，纖維素會溶解，木漿纖維則分散為微纖維；纖維素的親水性會促進其與水分子結合，進而加速紙張結構的分解，推動這一溶解過程的完成。

這款電池的制作工藝相對簡便，類似多層涂覆的操作流程，無需半導體工藝或其他先進制造技術支持（見圖2）。研究人員測試了多種配方的電池性能，分別搭配 100 千歐、10 千歐和 1 千歐的阻性負載進行驗證。

2. 以低pH敏感聚合物包裹的益生菌驅動生物電池：（a） 水平布局益生菌供能生物電池的圖像，展示其在不同電極數量下可擴展性。（b） 一。益生菌驅動的生物電池（n=4）在pH敏感聚合物封裝可溶解紙基底上開發的橫斷面示意圖，以及其在低pH溶液中工作時隨時間變化的開路電壓（OCV）。（b） ii.益生菌驅動生物電池（n = 4）的橫斷面示意圖，外包有額外的低pH敏感聚合物，顯示其在運行過程中隨時間變化的OCV特征。（c） 普魯士藍陰極的CV剖面，比較有無MnO2納米顆粒的性能。（d） 生物電池的電流-電壓（I–V）特性及功率曲線，比較普魯士藍-MnO2復合陰極與僅含普魯士藍陰極的陰極。（普魯士藍于18世紀初開發，是最早的持久合成顏料之一;其正式名稱是六氰化鐵，是一種復雜的鐵鹽。）

研究人員指出，此前已有以非益生菌微生物供能的生物電池被成功研發為獨立電源，但這類電池的材料存在微生物細胞毒性相關隱患，還會帶來健康風險，因此其應用范圍大多局限于一次性、不可溶解的設備。

而這款益生菌供能電池，依托已被驗證的益生菌安全性與健康益處，非常適合醫療領域和環境敏感場景中的瞬態、可生物吸收設備應用。

相關研究成果已發表于威立出版社旗下的《Small》期刊，論文題為《可溶解益生菌供能生物電池：適用于瞬態設備的安全生物相容性能源解決方案》，期刊還同步發布了補充材料，包含更多研究細節。

可回收、可自修復的電子器件

無論是低成本酚醛樹脂、應用最廣泛的 FR4 材料，還是其他特殊材質，印刷電路板都是電子電路和電子設備的物理基礎。但回收電路板、甚至提取板載元器件以回收貴金屬的過程，卻存在諸多難點 —— 電路板本身的高耐用性特性，使其難以被拆解處理。

為解決這一難題，弗吉尼亞理工大學的研究團隊研發出一種潛在的電子垃圾解決方案：一款可回收材料，能讓電子器件更易拆解和復用。該團隊開發出全新品類的電路基材，兼具可回收、導電、可重構的特性，受損后還能實現自修復，同時保留了傳統電路板塑料的強度與耐用性 —— 這些特性很難在單一材料中同時實現。

這款新材料以動態聚合物玻璃離聚物為基底，這類聚合物因可重塑、可回收的特性，再度受到科研界的關注；研究人員將液態金屬微滴融入玻璃離聚物，制成液態金屬 - 玻璃離聚物微滴復合材料，該材料可像傳統電路板中的剛性金屬一樣傳導電流。此外，這類玻璃離聚物電路板在壽命終結后，可通過堿水解工藝拆解，實現液態金屬、發光二極管等核心元器件的回收。

該?；瘜W系助理教授 Josh Worch 表示：“傳統電路板由永久性熱固性材料制成，極難回收；而我們研發的這款動態復合材料，若出現損壞，可通過加熱實現修復或重塑，且其電學性能不會受影響，這是現代傳統電路板完全無法做到的?！?/p>

此前研發的融入液態金屬的復合材料，多聚焦于為柔性設備打造永久性共價網絡或物理交聯網絡，而這款液態金屬 - 玻璃離聚物復合材料，實現了多項特性的獨特融合：具備導電性、優異的熱機械性能、高模量，且在高負載或形變條件下導電性能不會衰減，同時還可回收（見圖3）。

3. 液態金屬（LM）-三三組體導電復合材料及回收工藝：（a） LM復合材料中動態共價聚合物網絡機制示意圖。（b） LM-四三三體導電復合材料的制造與化學回收示意圖。（c） 異構LM-vitrimer復合結構示意圖（左），附有自上而下和橫截面顯微圖像（右）。（d） 演示1.5毫米厚的LM-vitrimer復合樣品，在LED亮起時支撐9公斤重量。

研究人員通過剪切混合工藝，將液態金屬融入玻璃離聚物聚合物基體中；這款復合材料兼具熱塑性和熱固性材料的固有特性，其高度交聯的網絡結構，使其擁有遠超同類材料的機械強度和剛性。研究人員制作了一個搭載單顆發光二極管的簡易電路，驗證了這一特性（見圖4）。

4. LM-四三三體導電復合材料的演示：（a） LM-四三三體復合LED器件的制造。（b）制造的LM-vitrimer復合LED器件照片。（c） LM-vitrimer導電復合材料，在為LED供電時承受9公斤重物。（d） 形狀記憶行為的示意圖。（e）示意圖（左）和圖片（右），顯示LED器件被重新塑形為圓柱形。（f） 通過加熱恢復形狀記憶的圖像序列。（g）LM-四三體復合物在5M NaOH溶液中解體的圖像序列。（h）從退化復合材料中提取了LM和LED芯片。（i） 控制環氧（無酯功能）LM復合材料，浸泡于5M NaOH溶液三天后無降解。

研究團隊還通過化學回收實驗，驗證了該復合材料的可降解性。器件達到使用壽命后，其內部的珍貴資源需要被回收；由于該復合材料的基體中含有酯鍵，可通過氫氧化鈉水溶液進行堿催化水解，實現材料降解。這一特性也讓研發全玻璃離聚物基底電路板成為可能，這類電路板可集成傳感器、指示用發光二極管，并采用液態金屬 - 玻璃離聚物復合材料制作導電線路。

得益于基體中的動態酯鍵，以及可重構的液態金屬微滴網絡，該復合材料還具備自修復能力。為驗證這一特性，研究人員用刀片在復合材料表面劃出切口，借助材料的焦耳熱效應，通過加熱觸發自修復機制；僅 10 分鐘，復合材料就通過升溫、結構重構，完成了切口的修復。

為驗證該材料在下一代可持續電子器件中的應用潛力，研究團隊制作了一塊全玻璃離聚物基底電路板：基底為帶有動態酯鍵的透明玻璃離聚物薄片，電路層則是絲網印刷的液態金屬 - 玻璃離聚物復合材料，該電路并聯集成了兩組發光二極管和霍爾效應傳感器（見圖5）。

5. LM三聚體電路演示：（a）霍爾效應傳感器電路示意圖，LED通過組裝在純聚體上的LM三三體復合互連器連接。（b）電路設計，包含兩個霍爾效應傳感器和六個LED（紅綠各三個）。（c） 由LM-含三酯復合表面的磨蝕力產生的導電互連電路。（d） 當綠色LED因磁場作用于連接的霍爾效應傳感器而點亮時的電路照片。（e） 紅色LED亮起的照片。（f） 通過加熱重新配置后，電路的功能得到了證明。（c）到（f）中的圖像跟隨（f）中的比例條。

相關研究成果已發表于威立出版社旗下的《Advanced Materials》期刊，論文題為《適用于可回收、高韌性電子器件的液態金屬 - 玻璃離聚物導電復合材料》，期刊還附帶了補充材料及四段演示短視頻，完整呈現了該項研究的細節。