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美用木材制成可降解计算机芯片

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来源: 作者: 2019-05-17 01:58:00

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电子产品通常由不可再生、不可生物降解并可能有毒的物质制成,其更新换代速度之快,带来的是日益沉重的环境负担。为此,美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员与美国农业部林产品实验室合作,拿出了令人吃惊的解决方案:一个几乎全部由木材制成的半导体芯片。

威斯康星大学麦迪逊分校电气和计算机工程系教授马振强(音译)领导的研究团队在26日出版的《自然·通讯》杂志上发表论文,描述了这一新器件,证实了用由木材制成的柔性可降解材料——纤维素纳米纤维(CNF)作为计算机芯片基底的可行性。

“芯片的大部分材料就是基底,其他材料我们只用了不到几微米。”马振强说,“现在芯片很安全了,你可以把它们丢弃到森林里,让真菌去降解。它们变得和肥料一样安全。”

农业部林产品实验室工程复合材料科学研究组项目负责人蔡智勇(音译)自2009年以来就在研发环保纳米材料。“如果你将1棵大树砍成一丝丝纤维,得到的最常见产品是纸张。纤维的尺寸是微米级。”他说,“但如果我们能够进一步将其分解到纳米级呢?在这样尺度下,就可以制造出非常坚固、透明的CNF纸。”

蔡智勇的团队与麦迪逊分校生物医学工程教授龚绍勤(音译)合作,攻克了将木材衍生材料用于电子器件的两个主要障碍:表面光滑度和热膨胀。他们在CNF表面覆上环氧树脂涂层,同时解决了光滑度和防潮问题。

“与多为石油基的其他聚合物相比,CNF的优势在于它是一种生物基材料,是可持续、生物相容和可生物降解的。”龚绍勤说,“而且,CNF的热膨胀系数相对于其他聚合物来讲更低。”

新型芯片的性能与现有芯片类似,但制造工艺更为环保。目前大多数无线设备都使用砷化镓基微波芯片,新工艺可以大大减少这类昂贵且危害环境的物质的使用。论文合著者、麦迪逊分校电气和计算机工程系研究生郑伊焕(音译)说:“我在一个5毫米×6毫米的芯片上集成了1500个砷化镓晶体管,通常一个这样尺寸的微波芯片上只有8到40个晶体管。我们用确定装配技术,将设计与CNF结合在了一起,我们也将它用在任何想要的地方,制成一个完全功能性的电路,性能堪比现有芯片。”

马振强则表示:“大规模生产目前的半导体芯片本钱相当低,行业可能还需要一段时间来适应我们的设计。但是,柔性电子产品代表了未来,我相信我们会遥遥领先。”

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维素纳米纤维(CNF)纸的循环过程示意图:从木材中提取并制成的纤维素纳米纤维(CNF)纸经过真菌降解后,又重新回到森林,不会造成负面的环境影响。

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