綠色環(huán)保材料邁向新征程 微生物降解或成新寵

  電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用的材料種類多多，許多材料有較高的力學(xué)強(qiáng)度，很難在自然環(huán)境中分解。根據(jù)科學(xué)家們的研究，生物降解或是化解電子垃圾的勇士，經(jīng)過種種代謝途徑，降解過程逐步進(jìn)行。如此背景下，將可生物降解材料用于電子產(chǎn)品，堪稱是人們向綠色環(huán)保材料邁進(jìn)的一次破冰之旅。

  探尋電子垃圾理想歸宿 微生物降解或成新寵　　　　在信息時(shí)代，電子產(chǎn)品成為人們的寵兒，給人們的生活和工作帶來了無限的樂趣和便利。然而，這些“電子寵物”一旦被廢棄，進(jìn)入電子垃圾的行列，就會(huì)給我們本已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)增添重負(fù)，甚至帶來災(zāi)難性的后果。與塑料袋、塑料瓶等造成的“白色污染”相比，電子垃圾的污染是人類社會(huì)要面對(duì)的更大的麻煩。電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用的材料種類多多，許多材料有較高的力學(xué)強(qiáng)度，很難在自然環(huán)境中分解。面對(duì)來勢(shì)洶洶的電子垃圾，科學(xué)家們采取了哪些富有成效的對(duì)抗辦法呢？　　　　聯(lián)合國的相關(guān)報(bào)告　　　　聯(lián)合國相關(guān)機(jī)構(gòu)、民間團(tuán)體和電子行業(yè)組織曾合作發(fā)起了一個(gè)“解決電子垃圾問題”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目發(fā)布的報(bào)告說，2012年全球電子垃圾數(shù)量約為4890萬噸。該報(bào)告預(yù)計(jì)，到2017年，全球每年廢棄的電視、手機(jī)、電子玩具、電腦、顯示器等電子產(chǎn)品將達(dá)到6540萬噸。如果用載重40噸的卡車裝載這6000多萬噸的電子垃圾，卡車頭尾相連的長度竟會(huì)相當(dāng)于赤道的3/4?！　　　∥⑸铮夯怆娮永挠率俊　　　】茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)研究開發(fā)用于電子產(chǎn)品的可生物降解的材料，是解決電子垃圾問題的一條有效途徑。這里所說的生物降解，是指微生物對(duì)于材料的降解作用；而可生物降解材料，就是在自然環(huán)境中微生物的作用下能夠降解的材料。如此說來，不起眼的微生物竟可以成為化解電子垃圾的勇士了?！　　　∧敲?，微生物是怎樣發(fā)揮作用的呢？電子垃圾的主體是高分子材料，對(duì)于可生物降解的高分子材料，將其置于自然環(huán)境中“堆肥”的條件下，降解過程就一步步地發(fā)生了：首先，微生物分泌出的水解酶黏附在材料表面，通過酶的水解作用，切斷材料表面的高分子鏈，生成小分子化合物，這就是“降解”。然后，降解的生成物被微生物攝入體內(nèi)，化作微生物的軀體或轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑸锘顒?dòng)的能量，經(jīng)過種種代謝途徑，最終轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，或許還有一些對(duì)環(huán)境無害的無機(jī)鹽。而二氧化碳和水又將參與新一輪生命物質(zhì)的締造，這就是自然界的生命循環(huán)，也可看作是“碳素”的循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)過程中，微生物的辛勤勞作是功不可沒的?！　　　√烊桓叻肿樱捍笞匀坏目犊佡?zèng)　　　　用于工業(yè)產(chǎn)品(包括電子產(chǎn)品)的可生物降解材料，除了要在自然環(huán)境中生物降解之外，還應(yīng)滿足其他許多條件：第一，它的生產(chǎn)過程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；第二，它的降解產(chǎn)物不會(huì)危害環(huán)境；第三，在性能上，它要符合產(chǎn)品對(duì)材料性能的要求；第四，它必須能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，使得生產(chǎn)成本降低，滿足產(chǎn)品對(duì)于材料成本的要求?！　　　∫瑫r(shí)滿足這么多條件是很不容易的。到哪里去尋覓這樣的材料呢？幸而，我們首先可以從大自然的寶藏中獲得慷慨的饋贈(zèng)?！　　　】缮锝到獠牧系闹黧w是高分子材料，而高分子材料分為兩大類：一類是天然高分子材料，另一類是合成高分子材料。天然高分子材料就是大自然的贈(zèng)予?！　　　〈笞匀簧幌⒌胤庇鵁o數(shù)植物和動(dòng)物，它們體內(nèi)存在著大量天然高分子物質(zhì)，包括纖維素、木質(zhì)素、淀粉、甲殼素、殼聚糖和各種動(dòng)植物蛋白質(zhì)，等等。這些天然高分子能夠制成可生物降解的材料。其中，纖維素是最豐富的天然高分子物質(zhì)，整個(gè)地球每年生成數(shù)以百億噸計(jì)的植物纖維素，成為儲(chǔ)量驚人的可再生資源。纖維素纖維是一種頗有發(fā)展前景，可生物降解的天然高分子材料。如今，在科學(xué)家的努力下，纖維素纖維已經(jīng)獲得了驚人的應(yīng)用成果。　　　　美國科學(xué)家用木材制成計(jì)算機(jī)芯片　　　　最近，纖維素纖維在可生物降解材料領(lǐng)域的應(yīng)用取得了重大進(jìn)展。美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員制成了幾乎全部取材于木材的計(jì)算機(jī)芯片?！　　　氖逻@項(xiàng)研究的科學(xué)家發(fā)表研究論文，證實(shí)了由木材制成的柔性可降解材料——纖維素納米纖維(英文縮寫為CNF)作為計(jì)算機(jī)芯片基底的可行性。新型芯片的大部分材料是可生物降解的纖維素納米纖維制成的基底，其他材料只有區(qū)區(qū)幾微米的厚度。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人自豪地說：“現(xiàn)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。它們變得和植物肥料一樣安全環(huán)保。”　　　　為了認(rèn)識(shí)神奇的纖維素納米纖維芯片，讓我們先來了解普通的纖維素纖維。纖維素纖維的生產(chǎn)，是以木漿為原料。先將木材(可以用枝椏或下腳料)制成木漿，這一步與造紙相似。木材中含有40%～50%的纖維素。在木材資源匱乏的國家和地區(qū)，也可以使用竹子或農(nóng)作物秸稈。接下來，再從木漿中分離出纖維素粗纖維。將分離出的纖維素粗纖維進(jìn)行研磨細(xì)化，就可以得到直徑為數(shù)十微米的纖維素纖維了。微米級(jí)纖維素并不能派上太大的用場(chǎng)，主要是與瀝青摻混用于鋪設(shè)高速公路的路面，或者摻進(jìn)混凝土，起到防止混凝土開裂的作用。

  威斯康星大學(xué)的科學(xué)家們制備的纖維素納米纖維，直徑只有幾納米，相當(dāng)于頭發(fā)的1/1萬。如此纖細(xì)的納米尺度，使材料性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在這樣的尺度下，可以制造出非常堅(jiān)韌且又具有一定柔性的纖維素納米纖維膜，用作計(jì)算機(jī)芯片的基底?！　　　】茖W(xué)家們至少在3個(gè)方面取得了突破性進(jìn)展：第一，成功制備出納米級(jí)的纖維素纖維，這中間包含著一系列的技術(shù)創(chuàng)新。第二，解決了纖維素納米纖維膜表面光滑度的問題。作為芯片的基底，需要有極為光滑的表面?？茖W(xué)家在纖維素納米纖維表面覆上環(huán)氧樹脂涂層，成功地解決了這個(gè)問題。第三，解決了熱膨脹問題。芯片基底對(duì)熱膨脹必須嚴(yán)加限制，而纖維素納米纖維的熱膨脹系數(shù)比其他聚合物更低，這是它得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)?！　　　⒗w維素納米纖維芯片放到自然環(huán)境的木堆中，很快就會(huì)降解。這使它成為綠色環(huán)保的芯片?！　　　【廴樗幔鹤钣星熬暗目山到夂铣筛叻肿硬牧稀　　　≡賮碚f說合成高分子材料。前邊講過的天然高分子材料，大多數(shù)是可以生物降解的。與此形成鮮明對(duì)照，大多數(shù)合成高分子材料是不能生物降解的。因此，才有了塑料袋、塑料瓶的白色污染?！　　　〗陙?，科學(xué)界日益重視這方面的研究，一些新型的可生物降解的合成高分子材料被開發(fā)研制出來，包括聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚丁二醇丁二酸酯等。其中，聚乳酸是最具有發(fā)展前景的品種?！　　　√岬骄廴樗幔藗兛赡軙?huì)聯(lián)想到酸奶，因?yàn)樗崮汤锩媸呛腥樗岬摹５廴樗釁s并非從酸奶中提煉乳酸來生產(chǎn)，而是以玉米等為原料制造的。先將玉米制成淀粉，再對(duì)淀粉進(jìn)行糖化，生成葡萄糖，由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸。乳酸分子中有一個(gè)羥基(-OH)和一個(gè)羧基(-COOH)，大量乳酸分子在一定條件下發(fā)生聚合反應(yīng)：不同分子的羥基與羧基相互“脫水縮合”，生成酯基(-COO)，釋放出水。就這樣，乳酸分子們“手拉手”形成了聚合物，名叫聚乳酸(英文縮寫為PLA)。聚乳酸在聚合物分類中屬于聚酯，是一種塑料?！　　　【廴樗峒捌渲破吩诙逊蕳l件下自然分解成二氧化碳和水，是可完全生物降解的合成高分子材料，實(shí)屬難能可貴。一般塑料以不可再生的石油為原料，生產(chǎn)聚乳酸的原料玉米則是可再生資源。此外，聚乳酸還具有良好的生物相容性，且安全無毒。然而，聚乳酸在性能上也有其不足之處，如耐熱性較差，而且力學(xué)性能較脆。綜合考慮性能上的優(yōu)缺點(diǎn)，聚乳酸主要應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和包裝等領(lǐng)域。在被應(yīng)用于電子產(chǎn)品之前，聚乳酸一直徘徊在高強(qiáng)度材料及其制品的門檻之外。　　　　日本公司用聚乳酸和洋麻制成了手機(jī)外殼　　　　多年來，科技界在努力嘗試擴(kuò)大聚乳酸的應(yīng)用領(lǐng)域，使這種具有生物降解特性的合成高分子材料能夠應(yīng)用于電子產(chǎn)品。具體的努力方向之一便是提高聚乳酸的力學(xué)性能，克服其脆性。為了提高材料的力學(xué)性能，通常有兩條可供選擇的路徑：其一，是把該材料與較為“強(qiáng)悍”的材料進(jìn)行混合，專業(yè)術(shù)語叫共混；其二，是把該材料與纖維狀的材料復(fù)合，制成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料?！　　　?duì)于聚乳酸，科技人員首先嘗試了第一條路徑。國外多家公司研制了聚乳酸與聚碳酸酯(PC)的共混材料，用于手機(jī)外殼的制造，其性能可與常用的手機(jī)外殼材料苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物(ABS)相媲美。然而，令人遺憾的是，在這類材料中聚乳酸的用量僅為20%～30%，其余為無法生物降解的聚碳酸酯等材料。顯然，該類共混材料不可能從整體上實(shí)現(xiàn)生物降解。只能說，該類材料由于部分使用聚乳酸而減少了對(duì)于石油資源的依賴?！　　　】萍脊ぷ髡哂謬L試了第二條路徑。日本一家公司采用洋麻作為天然纖維增強(qiáng)劑，研制了聚乳酸與洋麻纖維的復(fù)合材料。用洋麻纖維與聚乳酸制成復(fù)合材料，可以顯著提升聚乳酸的韌性和耐熱性，兩者還可以一同實(shí)現(xiàn)生物降解，堪稱是絕妙的配合。此外，洋麻很廉價(jià)，用在聚乳酸中不會(huì)增加成本。日本這家公司已經(jīng)研制出含有20%洋麻纖維的聚乳酸復(fù)合材料，用于制造手機(jī)外殼，具有良好的耐熱性和抗沖擊性。在該復(fù)合材料組分中，可生物降解材料占到90%，應(yīng)該說，這是向完全的生物降解材料邁進(jìn)了一大步?！　　　∈浅踉囦h芒，卻彌足珍貴　　　　由于電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的材料種類多多，用纖維素納米纖維制造的可降解芯片，以及用聚乳酸與洋麻纖維的復(fù)合材料制造的手機(jī)外殼，這些研究成果只能算是初試鋒芒，科學(xué)們家們要做的事情還很多，要走的路還很遙遠(yuǎn)?！　　　≡陔娮赢a(chǎn)品領(lǐng)域，可生物降解的材料首先被應(yīng)用在手機(jī)上，這并不是巧合。因?yàn)橄耠娨暀C(jī)、計(jì)算機(jī)這樣體型較大的電子產(chǎn)品，通?？梢酝ㄟ^拆分的方式，把塑料外殼等分離出來，分門別類地進(jìn)行回收和再利用。而對(duì)于手機(jī)之類的微型電子產(chǎn)品，進(jìn)行拆分回收利用，可能就有些得不償失了。而電子產(chǎn)品的微型化又是一個(gè)趨勢(shì)，今后會(huì)有更多小巧玲瓏的電子產(chǎn)品問世。研究開發(fā)可生物降解的材料，對(duì)于這樣的電子產(chǎn)品尤為重要?？缮锝到獠牧显谛酒械膽?yīng)用也很重要，因?yàn)樾酒拖袷请娮赢a(chǎn)品的“心臟”?！　　　恼麄€(gè)社會(huì)的視角來看，以塑料廢棄物為標(biāo)志的“白色污染”正愈演愈烈，石油等資源趨于枯竭也絕非危言聳聽，而可生物降解材料的開發(fā)在材料性能等方面又遭遇了難題。在這樣的大背景下，用于電子產(chǎn)品的可生物降解材料的可喜進(jìn)展，堪稱是人們向綠色環(huán)保材料邁進(jìn)的一次破冰之旅。雖然是初試鋒芒，卻彌足珍貴。