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美國研制用木材制成可降解計算機芯片
作者：卓龍機械 發布日期：2017-02-27
電子產品通常由不可再生、不可生物降解并可能有毒的物質制成，其更新換代速度之快，帶來的是日益沉重的環境負擔。為此，美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員與美國農業部林產品實驗室合作，拿出了令人吃驚的解決方案：一個幾乎全部由木材制成的半導體芯片。威斯康星大學麥迪遜分校電氣和計算機工程系教授馬振強（音譯）領導的研究團隊在26日出版的《自然·通訊》雜志上發表論文，描述了這一新器件，證實了用由木材制成的柔性可降解材料——纖維素納米纖維（CNF）作為計算機芯片基底的可行性。
“芯片的大部分材料就是基底，其他材料我們只用了不到幾微米。”馬振強說，“現在芯片很安全了，你可以把它們丟棄到森林里，讓真菌去降解。它們變得和肥料一樣安全。”
農業部林產品實驗室工程復合材料科學研究組項目負責人蔡智勇（音譯）自2009年以來就在研發環保納米材料。“如果你將一棵大樹砍成一絲絲纖維，得到的常見產品是紙張。纖維的尺寸是微米級。”他說，“但如果我們能夠進一步將其分解到納米級呢？在這樣尺度下，就可以制造出非常堅固、透明的CNF紙。”
蔡智勇的團隊與麥迪遜分校生物醫學工程教授龔紹勤（音譯）合作，攻克了將木材衍生材料用于電子器件的兩個主要障礙：表面光滑度和熱膨脹。他們在CNF表面覆上環氧樹脂涂層，同時解決了光滑度和防潮問題。
“與多為石油基的其他聚合物相比，CNF的優勢在于它是一種生物基材料，是可持續、生物相容和可生物降解的。”龔紹勤說，“而且，CNF的熱膨脹系數相對于其他聚合物來說更低。”
新型芯片的性能與現有芯片類似，但制造工藝更為環保。目前大多數無線設備都使用砷化鎵基微波芯片，新工藝可以大大減少這種昂貴且危害環境的物質的使用。論文合著者、麥迪遜分校電氣和計算機工程系研究生鄭伊煥（音譯）說：“我在一個5毫米×6毫米的芯片上集成了1500個砷化鎵晶體管，通常一個這樣尺寸的微波芯片上只有8到40個晶體管。我們用確定裝配技術，將設計與CNF結合在了一起，我們也將它用在任何想要的地方，制成一個完全功能性的電路，性能堪比現有芯片。”
馬振強則表示：“大規模生產目前的半導體芯片成本相當低，行業可能還需要一段時間來適應我們的設計。但是，柔性電子產品代表了未來，我相信我們會遙遙領先。”
纖維素納米纖維（CNF）紙的循環過程示意圖：從木材中提取并制成的纖維素納米纖維（CNF）紙經過真菌降解后，又重新回到森林，不會造成負面的環境影響。