百科：生物降解：電子垃圾的理想歸宿

在信息時代，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，進入電子垃圾的行列，就會給我們本已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)增添重負，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要面對的更大的麻煩。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強度，很難在自然環(huán)境中分解。面對來勢洶洶的電子垃圾，科學家們采取了哪些富有成效的對抗辦法呢？
　　聯(lián)合國的相關(guān)報告
　　聯(lián)合國相關(guān)機構(gòu)、民間團體和電子行業(yè)組織曾合作發(fā)起了一個“解決電子垃圾問題”的項目，該項目發(fā)布的報告說，2012年全球電子垃圾數(shù)量約為4890萬噸。該報告預(yù)計，到2017年，全球每年廢棄的電視、手機、電子玩具、電腦、顯示器等電子產(chǎn)品將達到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相當于赤道的3/4。

　　微生物：化解電子垃圾的勇士
　　科學家們發(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。
　　那么，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锘顒拥哪芰浚?jīng)過種種代謝途徑，最終轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，或許還有一些對環(huán)境無害的無機鹽。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)。在這個循環(huán)過程中，微生物的辛勤勞作是功不可沒的。
　　天然高分子：大自然的慷慨饋贈
　　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)過程不會對環(huán)境造成污染；第二，它的降解產(chǎn)物不會危害環(huán)境；第三，在性能上，它要符合產(chǎn)品對材料性能的要求；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)品對于材料成本的要求。
　　要同時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。
　　可生物降解材料的主體是高分子材料，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予。
　　大自然生生不息地繁育著無數(shù)植物和動物，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)，整個地球每年生成數(shù)以百億噸計的植物纖維素，成為儲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。
　　美國科學家用木材制成計算機芯片
　　最近，纖維素纖維在可生物降解材料領(lǐng)域的應(yīng)用取得了重大進展。美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員制成了幾乎全部取材于木材的計算機芯片。
　　從事這項研究的科學家發(fā)表研究論文，證實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）作為計算機芯片基底的可行性。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。該項目負責人自豪地說：“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。”
　　為了認識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行研磨細化，就可以得到直徑為數(shù)十微米的纖維素纖維了。微米級纖維素并不能派上太大的用場，主要是與瀝青摻混用于鋪設(shè)高速公路的路面，或者摻進混凝土，起到防止混凝土開裂的作用。
　　威斯康星大學的科學家們制備的纖維素納米纖維，直徑只有幾納米，相當于頭發(fā)的1/1萬。如此纖細的納米尺度，使材料性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在這樣的尺度下，可以制造出非常堅韌且又具有一定柔性的纖維素納米纖維膜，用作計算機芯片的基底。
　　科學家們至少在3個方面取得了突破性進展：第一，成功制備出納米級的纖維素纖維，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。科學家在纖維素納米纖維表面覆上環(huán)氧樹脂涂層，成功地解決了這個問題。第三，解決了熱膨脹問題。芯片基底對熱膨脹必須嚴加限制，而纖維素納米纖維的熱膨脹系數(shù)比其他聚合物更低，這是它得天獨厚的優(yōu)點。
　　將纖維素納米纖維芯片放到自然環(huán)境的木堆中，很快就會降解。這使它成為綠色環(huán)保的芯片。
　　聚乳酸：最有前景的可降解合成高分子材料
　　再來說說合成高分子材料。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。
　　近年來，科學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。提到聚乳酸，人們可能會聯(lián)想到酸奶，因為酸奶里面是含有乳酸的。但聚乳酸卻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，再對淀粉進行糖化，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。乳酸分子中有一個羥基（-OH）和一個羧基（-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。
　　聚乳酸及其制品在堆肥條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，而且力學性能較脆。綜合考慮性能上的優(yōu)缺點，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外殼
　　多年來，科技界在努力嘗試擴大聚乳酸的應(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性能，克服其脆性。為了提高材料的力學性能，通常有兩條可供選擇的路徑：其一，是把該材料與較為“強悍”的材料進行混合，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，制成纖維增強復(fù)合材料。
　　對于聚乳酸，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，用于手機外殼的制造，其性能可與常用的手機外殼材料苯乙烯-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于石油資源的依賴。
　　科技工作者又嘗試了第二條路徑。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，兩者還可以一同實現(xiàn)生物降解，堪稱是絕妙的配合。此外，洋麻很廉價，用在聚乳酸中不會增加成本。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了一大步。
　　是初試鋒芒，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)合材料制造的手機外殼，這些研究成果只能算是初試鋒芒，科學們家們要做的事情還很多，要走的路還很遙遠。
　　在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，可生物降解的材料首先被應(yīng)用在手機上，這并不是巧合。因為像電視機、計算機這樣體型較大的電子產(chǎn)品，通常可以通過拆分的方式，把塑料外殼等分離出來，分門別類地進行回收和再利用。而對于手機之類的微型電子產(chǎn)品，進行拆分回收利用，可能就有些得不償失了。而電子產(chǎn)品的微型化又是一個趨勢，今后會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，對于這樣的電子產(chǎn)品尤為重要。可生物降解材料在芯片中的應(yīng)用也很重要，因為芯片就像是電子產(chǎn)品的“心臟”。
　　從整個社會的視角來看，以塑料廢棄物為標志的“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展，堪稱是人們向綠色環(huán)保材料邁進的一次破冰之旅。雖然是初試鋒芒，卻彌足珍貴。
　　假如有一天，你用上了聚乳酸外殼做的手機，會不會聯(lián)想到酸奶？或者，你閱讀了本文之后，會在喝酸奶的時候想到手機呢？也許你還有更新奇的想法，歡迎與我們大家分享！