中國科學家培育“紡織工”，細菌“織就”綠色電子未來
在數字時代的洪流中，我們享受着智能手機、平板電腦帶來的便利，卻很少思考這些電子設備最終的歸宿。當它們完成使命，走向生命終點時，往往成爲地球沉重的負擔——電子垃圾正以驚人的速度增長，其處理方式若不當，可能對生態環境與公共健康帶來不容忽視的挑戰。
然而，在中國科學技術大學的實驗室裏，一種微生物的力量正在重新改寫電子材料的命運：細菌成爲了“紡織工”，編織出一種既高性能又可完全生物回收的介電薄膜，爲可持續電子產業開闢了全新的道路。
可閉環降解纖維素基介電薄膜的照片（來源：參考文獻[1]）
微觀世界的“紡織車間”
想象一下，如果我們能讓細菌像蠶吐絲一樣，爲我們“編織”出高性能的電子材料，那會是怎樣的奇妙景象？中國科學技術大學俞書宏院士團隊將這個奇思妙想變成了現實。他們開發的“氣溶膠輔助生物合成”技術，就像爲細菌搭建了一個精密的“紡織車間”。
在這個微觀的工廠裏，醋酸葡糖桿菌扮演着勤勞的“紡織工”角色。科學家們巧妙地控制營養物質和玻璃微珠的供給時機，引導細菌按照預設的“圖紙”進行工作。
整個過程分爲三個精心設計的階段：首先，細菌僅接受營養氣溶膠的滋養，專心致志地將葡萄糖轉化爲纖維素納米纖維，形成三維網絡結構的基礎層；接着，玻璃微珠氣溶膠加入“生產線”，細菌將這些微小的空心球體巧妙地編織到纖維網絡中，創造出中間的複合層；最後，迴歸到第一階段的模式，形成上層的保護結構。
這種生物製造過程的精妙之處在於，細菌會本能地向氧氣豐富的區域移動，穿過密堆積的玻璃微珠之間的空隙，留下分泌的纖維素納米纖維，形成連續的三維網絡。這就像是大自然的建築師在微觀尺度上精心設計的“三明治”結構，每一層都有着獨特的功能，整體卻渾然一體。
通過X射線顯微斷層掃描獲得的薄膜三維重構圖（來源：參考文獻[1]）
性能與可持續性的完美邂逅
傳統的電子材料往往面臨着性能與環保之間的兩難選擇：要麼性能卓越但難以回收，要麼環境友好但性能平庸。然而，這種由細菌“編織”的纖維素基介電薄膜卻實現了兩者的完美結合，彷彿是材料科學領域的“魚與熊掌兼得”。
從性能角度來看，這種生物製造的薄膜展現出了令人驚歎的綜合優勢。比如，它具有高達 117 兆帕的拉伸強度，足以承受各種機械應力；介電常數低至 1.33，在寬頻率範圍內保持穩定，這意味着在高頻電路中能夠最大程度地降低信號損耗；熱膨脹係數極低，遠低於大多數商用介電聚合物，溫度變化時尺寸幾乎保持不變。更令人稱讚的是，這種薄膜還具有良好的柔韌性和光滑的表面，經過 10 萬次 120 度彎曲測試後，仍能保持 93%的拉伸強度。
這些卓越性能的祕密隱藏在材料的獨特結構中。玻璃微珠的引入創造了高孔隙率結構，大量空氣存在於密堆積的玻璃微珠內部以及它們之間的空隙中，這正是低介電常數的關鍵所在。與傳統合成聚合物玻璃微珠介電材料不同，生物活性驅動的製造策略不僅確保了高含量玻璃微珠的引入，增加了微珠內部空氣的貢獻，還通過纖維素的有效結合最大程度地保留了密堆積玻璃微珠之間的空氣，從而實現了優異的介電性能。
纖維素基介電薄膜中間層的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（來源：參考文獻[1]）
廢料回收的生物奇蹟
如果說高性能讓這種材料在電子產業中佔據一席之地，那麼它的可循環特性則爲整個行業的可持續發展指明瞭方向。它的閉環生物回收能力，能夠使其在使用壽命結束後，通過溫和的生物過程完全分解並重新成爲製造原料。
回收過程如同一個精妙的生物化學循環。當電子設備報廢后，科學家們使用纖維素酶來解構這些薄膜——這種酶就像一把精確的“分子剪刀”只“剪”纖維素，而不會影響其他組分。整個降解過程在 50 攝氏度的溫和條件下進行，無需高溫高壓，也不涉及有毒化學品。
基於纖維素介電薄膜的電子器件閉環生物回收循環過程的完整流程（來源：參考文獻[1]）
在酶的作用下，纖維素逐漸分解，玻璃微珠因爲密度差異會自然浮起，可以用注射器輕鬆分離。通過離心過程，回收的銀和葡萄糖溶液得以分離。
分析顯示，分離得到的玻璃微珠保持着與原始微珠相同的微觀結構和尺寸分佈，銀的純度高達 99.66%，而葡萄糖則可以選擇性地被細菌重新利用。經過滅菌處理後，這些分離的組分可以再次投入到新的生物製造過程中，形成真正的閉環循環。
可持續電子器件在酶降解過程中的照片（來源：參考文獻[1]）
從實驗室到現實應用的橋樑
科學研究的價值最終體現在其實際應用中。這種細菌“織”的薄膜，不是實驗室的樣品，而是能真的用到電子設備裏。研究團隊製作了多種電子器件，並與商用環氧基板進行了對比測試。結果表明，在 1-5 吉赫茲的寬頻率範圍內，基於纖維素介電薄膜的電子器件的信號損耗明顯低於商用環氧材料，這意味着它在無線通信產業中具有巨大的應用潛力。
穩定性測試也進一步證明了這種材料的實用價值。經過約一年的儲存，電子器件的性能與初始狀態幾乎完全相同；即使在 75%溼度環境中儲存 24 小時，通過簡單的硅烷化處理也能保持優異性能；電子器件還能承受 150 攝氏度的高溫熱衝擊而不出現明顯的信號損耗增加。
這些測試結果表明，這種生物製造的介電薄膜已經具備了走向產業化應用的基礎。
環境友好的經濟賬本
在追求可持續發展的今天，任何新技術都必須通過環境和經濟的雙重考驗。研究團隊進行的全生命週期評估顯示，與商用環氧二氧化硅複合介電薄膜相比，這種生物製造的纖維素介電薄膜在所有環境影響類別中都表現更優。雖然玻璃微珠的上游生產是主要的環境影響貢獻源，但纖維素酶回收玻璃微珠的環境影響遠低於生產同等數量新玻璃微珠的影響，這意味着閉環回收將進一步降低環境足跡。
但很多人肯定會覺得，這麼好的材料肯定貴的離譜。但其實，這種生物製造介電薄膜的成本與商用介電薄膜相當。雖然較低的產量和對發酵培養基的高需求導致成本比植物來源纖維素納米纖維組裝的複合薄膜要高，但其優異的綜合性能使得增加的成本顯得可以接受。更重要的是，隨着生物乙醇通過木質纖維素生物質生產的發展，纖維素酶的成本已在過去幾十年中大幅下降，低迴收成本和無材料性能妥協的特點進一步突出了這種纖維素基介電薄膜的經濟重要性，長期看來反而更划算。
細菌織就綠色電子未來
這項研究的意義，不只是單一材料的創新，還爲整個電子產業的可持續發展提供了一個全新的思路。它不僅僅是一種新材料，更是一種新理念——將生物學的智慧與工程學的精確相結合，創造出既滿足人類需求又與自然和諧共生的解決方案。基於氣溶膠輔助生物合成和特異性纖維素酶水解的閉環生物回收策略，對開發下一代可持續電子材料具有重要的啓發意義。
未來，隨着這項技術的不斷完善和產業化程度的提高，或許更多具有內在可回收性的電子材料和器件製造方法將會湧現。從手機到電腦，從傳感器到通信設備，電子產品的每一個組成部分都有可能實現真正的可持續性，“從廢料到新生的循環”成爲將常態而非例外。
我們站在技術革新的十字路口，在這個由細菌“編織”的綠色電子未來中，技術進步與環境保護不再是相互衝突的選擇，而是相互促進的夥伴。當我們使用這些可持續電子產品時，或許會想起那些在顯微鏡下辛勤工作的“紡織工”們，正是它們的默默奉獻，爲我們編織出了一個更加美好、更加綠色的數字世界。
參考文獻
[1]Zhao, Yu-Xiang, et al. "Closed-loop bio-recyclable dielectric films for sustainable electronics." Nature Sustainability (2025): 1-10.
策劃製作
出品丨科普中國
作者丨李瑞 半導體工程師
監製丨中國科普博覽
責編丨張一諾
審校丨徐來、張林林
