編者按：

在科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項革新與突破的背后，都離不開新型先進(jìn)材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學(xué)家們的巧妙設(shè)計以及前沿技術(shù)的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運的枷鎖，以全新的姿態(tài)，肩負(fù)起推動人類文明邁向未來的重任！

用新材料制成的電路板 （圖片來源：Alex Parrish for Virginia Tech）

我們?nèi)缃竦闹悄苌?，離不開手機(jī)、電腦等各類電子產(chǎn)品，而電路板則可以被認(rèn)為是它們的“骨架”。

但你覺得電路板算是皮實還是脆弱呢？傳統(tǒng)電路板的基底材料堅固、耐熱又耐腐蝕?？墒瞧湟坏┢茡p，就基本無法復(fù)原！

它們既不能像人類皮膚那樣自愈，也不能像蠟燭、多數(shù)塑料玩具那樣，通過加熱來重塑。而等到其最終被淘汰、廢棄后，回收工作同樣極難開展！

很多時候，電路板只是破損了一個孔、裂開了一道縫，人們卻不得不將它整個替換。并且這種等待替換件的過程，還可能耽誤生活、生產(chǎn)，以及科研探索。

好在最近，來自美國弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Tech）的科研團(tuán)隊研發(fā)出了一種“能自我修復(fù)的電路板”。這種“非主流”的新材料，一改傳統(tǒng)電路板熱固性的傳統(tǒng)，竟然在高溫下表現(xiàn)出熱塑性！

這意味著，在其開裂后，你只需要把它拿去加熱“烤一烤”（需嚴(yán)格控溫）就能恢復(fù)其形狀與性能，同時這種材料還可被重新塑形，多次利用，廢棄后也更易回收。

熱固性的電路板正造成大問題

你知道什么是熱固性材料嗎？顧名思義，它的特點是：一旦定型，就會像熟雞蛋一樣，再不能改變形態(tài)，也無法回到之前的狀態(tài)！傳統(tǒng)電路板大多使用這類熱固性材料，如環(huán)氧樹脂等制成。

這種材料最大的特點就是“固執(zhí)”。除了在損壞后難以修復(fù)外，一旦新款電子產(chǎn)品的外殼形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即便只做了局部的修改，也需要重新制作配套的電路板，而無法通過加熱等手段重新塑形舊電路板。

更麻煩的是回收。你或許看過那些從電路板中煉出金塊的網(wǎng)絡(luò)視頻。但你知道嗎？其實要把電路板中有價值的金屬，如金、銀、銅等提煉出來，可并不容易！這個過程往往涉及：人工分揀、物理破碎以及化學(xué)分離！費時、費錢還污染環(huán)境！

回收舊手機(jī)中的材料并不容易，往往需要人工拆解、機(jī)械破碎等多道工序 （圖片來源：新華社 王恩廣）

即便能分離出一些有價值的金屬，剩下的大量不可回收的基底材料，往往也只得被送進(jìn)垃圾填埋場。聯(lián)合國曾在2024年的報告里警告：過去的12年里，全球電子垃圾的總質(zhì)量已經(jīng)從340億公斤飆升至620億公斤，幾乎翻倍。

經(jīng)機(jī)械破碎后的手機(jī)碎片 （圖片來源：新華社 仇清漪）

如今隨著科技水平的飛速提升，我們換新手機(jī)和電腦的頻率也越來越高。根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)測算，在2020年至2025年間，我國廢棄的手機(jī)總量，或?qū)⑦_(dá)到60億部，可以堆成一座山！

所以，千萬別忘了，每當(dāng)你喜提新機(jī)時，那些被拋下的舊設(shè)備都可能對自然環(huán)境造成一次打擊！

皮實耐用，還能自愈的新材料

針對現(xiàn)有材料的問題，研究人員著手研發(fā)出一種新型材料，它被稱為vitrimer（可譯為類玻璃高分子材料，但其在高溫下具有熱塑性）。

室溫下，這種材料可以像傳統(tǒng)熱固性電路板那樣保持堅硬，而在更高的溫度，這種材料將擁有一定的彈性和可塑性。

熱熔膠棒是一種常見的手工材料，加熱即可熔化，冷卻就能固型 （圖片來源：科普中國）

為了進(jìn)一步提升新材料的性能，科學(xué)家們又向其中加入了液態(tài)金屬微滴，這是一種由鎵（Ga）和銦（In）組成的合金（EGaIn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為75%鎵、25%銦）。

由于與聚合物材料存在密度差，在混合后的固化過程中，金屬會下沉，并在底部富集，從而形成類似印刷電路板的天然分層結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的電路印刷工序提供理想基礎(chǔ)。

經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種先進(jìn)材料間的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”讓成品電路板實現(xiàn)了兩個方面的性能提升。

首先電路板的強(qiáng)度更高了。測試表明，只需要在vitrimer中加入不到5%的液態(tài)金屬，電路板的韌性就幾乎翻了一倍。

而在170°C~200°C的溫度下，當(dāng)研究人員施加外力讓電路板變形。他們發(fā)現(xiàn)，材料竟然能夠逐漸“松弛”回原狀。傳統(tǒng)的電路板彎了就是彎了，可沒有這種自愈的能力。

其次，這種由金屬微滴和vitrimer聚合物所組成的電路板還能在受損后，迅速恢復(fù)導(dǎo)電能力！這是怎么實現(xiàn)的呢？

原來，當(dāng)電路板遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，比如導(dǎo)電線路被穿孔切斷時，由于機(jī)械破壞會在切口附近造成應(yīng)力集中，這種破壞行為本身也就相當(dāng)于進(jìn)行了一次“壓印”操作，正好可以讓缺口附近的液態(tài)金屬微滴流動、匯聚并形成新的導(dǎo)電通路。如此，盡管缺口還在，電流卻可以繞過斷點，恢復(fù)電路的正常工作！

如果要改變這種電路板的形狀，或是在它破損后，恢復(fù)其原本面貌，則只需要將其加熱到相應(yīng)的溫度就可以。對于部分微小的切口或裂紋，甚至僅利用電路正常工作時所自然產(chǎn)生的焦耳熱就能使其復(fù)原。

新材料在這方面就如同是蠟或其他熱塑性的塑料一般，可以根據(jù)需要靈活改形。而在自愈能力上，它就像是奇幻故事里的“金剛狼”一樣，即使受傷了，也有辦法輕松復(fù)原，而且不損失性能。

新材料能自動修復(fù)微小切口（左），并可在嚴(yán)重破損后瞬間恢復(fù)導(dǎo)電能力（右） （圖片來源：弗吉尼亞理工大學(xué)）

作為對比，傳統(tǒng)的電路板只要產(chǎn)生裂痕，往往就歇菜了——其電路會很容易被切斷，并可能導(dǎo)致部分甚至全部功能的喪失。哪怕能修，也是大工程，而一般的處理方法，都是直接將電路板整體替換掉。

性能與環(huán)保的雙贏

這種新型可自愈的電路板材料如果能被投入使用，將可以為我們的生活、生產(chǎn)提升效率，也能在關(guān)鍵時刻為人們開展科研探索、搶險救災(zāi)等提供重要保障。

在各類電子產(chǎn)品的研發(fā)中，原型機(jī)局部的調(diào)整將可以通過為電路板重新塑形來靈活適應(yīng)，如此可以減少對材料的不必要浪費，也能縮短研發(fā)周期。而對于用戶而言，由于電路板可修復(fù)，也可以減少因為某型號的電路板停產(chǎn)，而報廢整件電器的情況。

至于特種領(lǐng)域方面的應(yīng)用，如對于航空航天、科研探索、搶險救災(zāi)和軍事等場景，使用上這種新材料，或許可以在關(guān)鍵時刻為身處險境的人員保留一根“救命稻草”！

極端環(huán)境對電路造成的損傷將不再像現(xiàn)在這般不可逆。相關(guān)人員也不必再被動地等待替換件電路板的到來，而是可以根據(jù)情況和需要，自主對受損的設(shè)備進(jìn)行簡單、有效的修復(fù)。從而保障相關(guān)任務(wù)的順利開展。

擁有可靠、易維修的電路板，對于軍事等領(lǐng)域至關(guān)重要 （圖片來源：央廣網(wǎng) 仲崇嶺）

最后，通過對這種新材料持續(xù)改進(jìn)，未來或可以將其應(yīng)用到可穿戴設(shè)備、智能衣物等涉及柔性電子技術(shù)的領(lǐng)域。雖然目前的新材料在常溫下比較硬，但由于它的結(jié)構(gòu)特殊，或可以通過削薄或復(fù)合來實現(xiàn)更多功能的拓展，從而支持起未來各種柔性電子產(chǎn)物的誕生與應(yīng)用。

新材料可以在負(fù)重、改形的情況下保持電路正常工作，并可在氫氧化鈉溶液中快速溶解，實現(xiàn)對電路元件的完整回收 （圖片來源：弗吉尼亞理工大學(xué)）

當(dāng)然，任何一項新技術(shù)從誕生到投入應(yīng)用都需要大量的驗證與優(yōu)化，研究人員也坦言，針對這種新電路板，目前仍存在一些需要解決的問題。比如它目前使用的液體合金較為稀有和昂貴，研究人員需要尋找更廉價的替代品來實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

然而，這種新式電路板其實給我們提供了一個很重要的思路：隨著人類科技水平的不斷提升，或許我們不該只追求讓各類電子產(chǎn)品變得更快、更薄、更智能，同時也該去考慮如何讓它們更耐用、更可依賴、更對生態(tài)環(huán)境“負(fù)責(zé)任”。

未來的電路板乃至電器，或許將不再遵循現(xiàn)有的這種“設(shè)計-生產(chǎn)-使用-報廢”的使用邏輯，而是將具備“持續(xù)生命力”，不但能夠在受損后自我修復(fù)，還可以通過一些局部的改造來不斷迭代，以適配人類文明不斷提升的科技水平。而當(dāng)它們最終報廢，我們也會用更環(huán)保的方式來將其回收和重新利用，為下一代留下一個更清潔、美麗的地球。

作者：宋世超

審核專家：徐馳 北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院 副教授

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