生物降解：电子垃圾的理想归宿

王国全

在信息时代，电子产品成为人们的宠儿，给人们的生活和工作带来了无限的乐趣和便利。然而，这些“电子宠物”一旦被废弃，进入电子垃圾的行列，就会给我们本已十分脆弱的生态环境系统增添重负，甚至带来灾难性的后果。与塑料袋、塑料瓶等造成的“白色污染”相比，电子垃圾的污染是人类社会要面对的更大的麻烦。电子产品结构复杂，所用的材料种类多多，许多材料有较高的力学强度，很难在自然环境中分解。面对来势汹汹的电子垃圾，科学家们采取了哪些富有成效的对抗办法呢？

联合国的相关报告

联合国相关机构、民间团体和电子行业组织曾合作发起了一个“解决电子垃圾问题”的项目，该项目发布的报告说，2012年全球电子垃圾数量约为4890万吨。该报告预计，到2017年，全球每年废弃的电视、手机、电子玩具、电脑、显示器等电子产品将达到6540万吨。如果用载重40吨的卡车装载这6000多万吨的电子垃圾，卡车头尾相连的长度竟会相当于赤道的3/4。

微生物：化解电子垃圾的勇士

科学家们发现研究开发用于电子产品的可生物降解的材料，是解决电子垃圾问题的一条有效途径。这里所说的生物降解，是指微生物对于材料的降解作用；而可生物降解材料，就是在自然环境中微生物的作用下能够降解的材料。如此说来，不起眼的微生物竟可以成为化解电子垃圾的勇士了。

那么，微生物是怎样发挥作用的呢？电子垃圾的主体是高分子材料，对于可生物降解的高分子材料，将其置于自然环境中“堆肥”的条件下，降解过程就一步步地发生了：首先，微生物分泌出的水解酶黏附在材料表面，通过酶的水解作用，切断材料表面的高分子链，生成小分子化合物，这就是“降解”。然后，降解的生成物被微生物摄入体内，化作微生物的躯体或转变为微生物活动的能量，经过种种代谢途径，最终转化成二氧化碳和水，或许还有一些对环境无害的无机盐。而二氧化碳和水又将参与新一轮生命物质的缔造，这就是自然界的生命循环，也可看作是“碳素”的循环。在这个循环过程中，微生物的辛勤劳作是功不可没的。

天然高分子：大自然的慷慨馈赠

用于工业产品（包括电子产品）的可生物降解材料，除了要在自然环境中生物降解之外，还应满足其他许多条件：第一，它的生产过程不会对环境造成污染；第二，它的降解产物不会危害环境；第三，在性能上，它要符合产品对材料性能的要求；第四，它必须能够实现工业化生产，使得生产成本降低，满足产品对于材料成本的要求。

要同时满足这么多条件是很不容易的。到哪里去寻觅这样的材料呢？幸而，我们首先可以从大自然的宝藏中获得慷慨的馈赠。

可生物降解材料的主体是高分子材料，而高分子材料分为两大类：一类是天然高分子材料，另一类是合成高分子材料。天然高分子材料就是大自然的赠予。

大自然生生不息地繁育着无数植物和动物，它们体内存在着大量天然高分子物质，包括纤维素、木质素、淀粉、甲壳素、壳聚糖和各种动植物蛋白质，等等。这些天然高分子能够制成可生物降解的材料。其中，纤维素是最丰富的天然高分子物质，整个地球每年生成数以百亿吨计的植物纤维素，成为储量惊人的可再生资源。纤维素纤维是一种颇有发展前景，可生物降解的天然高分子材料。如今，在科学家的努力下，纤维素纤维已经获得了惊人的应用成果。

美国科学家用木材制成计算机芯片

最近，纤维素纤维在可生物降解材料领域的应用取得了重大进展。美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员制成了几乎全部取材于木材的计算机芯片。

从事这项研究的科学家发表研究论文，证实了由木材制成的柔性可降解材料——纤维素纳米纤维（英文缩写为CNF）作为计算机芯片基底的可行性。新型芯片的大部分材料是可生物降解的纤维素纳米纤维制成的基底，其他材料只有区区几微米的厚度。该项目负责人自豪地说：“现在芯片很安全了，你可以把它们丢弃到森林里，让真菌去降解。它们变得和植物肥料一样安全环保。”

为了认识神奇的纤维素纳米纤维芯片，让我们先来了解普通的纤维素纤维。纤维素纤维的生产，是以木浆为原料。先将木材（可以用枝桠或下脚料）制成木浆，这一步与造纸相似。木材中含有40%～50%的纤维素。在木材资源匮乏的国家和地区，也可以使用竹子或农作物秸秆。接下来，再从木浆中分离出纤维素粗纤维。将分离出的纤维素粗纤维进行研磨细化，就可以得到直径为数十微米的纤维素纤维了。微米级纤维素并不能派上太大的用场，主要是与沥青掺混用于铺设高速公路的路面，或者掺进混凝土，起到防止混凝土开裂的作用。

威斯康星大学的科学家们制备的纤维素纳米纤维，直径只有几纳米，相当于头发的1/1万。如此纤细的纳米尺度，使材料性能发生了质的飞跃。在这样的尺度下，可以制造出非常坚韧且又具有一定柔性的纤维素纳米纤维膜，用作计算机芯片的基底。

科学家们至少在3个方面取得了突破性进展：第一，成功制备出纳米级的纤维素纤维，这中间包含着一系列的技术创新。第二，解决了纤维素纳米纤维膜表面光滑度的问题。作为芯片的基底，需要有极为光滑的表面。科学家在纤维素纳米纤维表面覆上环氧树脂涂层，成功地解决了这个问题。第三，解决了热膨胀问题。芯片基底对热膨胀必须严加限制，而纤维素纳米纤维的热膨胀系数比其他聚合物更低，这是它得天独厚的优点。

将纤维素纳米纤维芯片放到自然环境的木堆中，很快就会降解。这使它成为绿色环保的芯片。

聚乳酸：最有前景的可降解合成高分子材料

再来说说合成高分子材料。前边讲过的天然高分子材料，大多数是可以生物降解的。与此形成鲜明对照，大多数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。

近年来，科学界日益重视这方面的研究，一些新型的可生物降解的合成高分子材料被开发研制出来，包括聚乳酸、聚己内酯、聚丁二醇丁二酸酯等。其中，聚乳酸是最具有发展前景的品种。

提到聚乳酸，人们可能会联想到酸奶，因为酸奶里面是含有乳酸的。但聚乳酸却并非从酸奶中提炼乳酸来生产，而是以玉米等为原料制造的。先将玉米制成淀粉，再对淀粉进行糖化，生成葡萄糖，由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸。乳酸分子中有一个羟基（-OH）和一个羧基（-COOH），大量乳酸分子在一定条件下发生聚合反应：不同分子的羟基与羧基相互“脱水缩合”，生成酯基（-COO），释放出水。就这样，乳酸分子们“手拉手”形成了聚合物，名叫聚乳酸（英文缩写为PLA）。聚乳酸在聚合物分类中属于聚酯，是一种塑料。

聚乳酸及其制品在堆肥条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，实属难能可贵。一般塑料以不可再生的石油为原料，生产聚乳酸的原料玉米则是可再生资源。此外，聚乳酸还具有良好的生物相容性，且安全无毒。然而，聚乳酸在性能上也有其不足之处，如耐热性较差，而且力学性能较脆。综合考虑性能上的优缺点，聚乳酸主要应用于医疗、农业和包装等领域。在被应用于电子产品之前，聚乳酸一直徘徊在高强度材料及其制品的门槛之外。

日本公司用聚乳酸和洋麻制成了手机外壳

多年来，科技界在努力尝试扩大聚乳酸的应用领域，使这种具有生物降解特性的合成高分子材料能够应用于电子产品。具体的努力方向之一便是提高聚乳酸的力学性能，克服其脆性。为了提高材料的力学性能，通常有两条可供选择的路径：其一，是把该材料与较为“强悍”的材料进行混合，专业术语叫共混；其二，是把该材料与纤维状的材料复合，制成纤维增强复合材料。

对于聚乳酸，科技人员首先尝试了第一条路径。国外多家公司研制了聚乳酸与聚碳酸酯（PC）的共混材料，用于手机外壳的制造，其性能可与常用的手机外壳材料苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物（ABS）相媲美。然而，令人遗憾的是，在这类材料中聚乳酸的用量仅为20%～30%，其余为无法生物降解的聚碳酸酯等材料。显然，该类共混材料不可能从整体上实现生物降解。只能说，该类材料由于部分使用聚乳酸而减少了对于石油资源的依赖。

科技工作者又尝试了第二条路径。日本一家公司采用洋麻作为天然纤维增强剂，研制了聚乳酸与洋麻纤维的复合材料。用洋麻纤维与聚乳酸制成复合材料，可以显著提升聚乳酸的韧性和耐热性，两者还可以一同实现生物降解，堪称是绝妙的配合。此外，洋麻很廉价，用在聚乳酸中不会增加成本。日本这家公司已经研制出含有20%洋麻纤维的聚乳酸复合材料，用于制造手机外壳，具有良好的耐热性和抗冲击性。在该复合材料组分中，可生物降解材料占到90%，应该说，这是向完全的生物降解材料迈进了一大步。

是初试锋芒，却弥足珍贵

由于电子产品结构复杂，使用的材料种类多多，用纤维素纳米纤维制造的可降解芯片，以及用聚乳酸与洋麻纤维的复合材料制造的手机外壳，这些研究成果只能算是初试锋芒，科学们家们要做的事情还很多，要走的路还很遥远。

在电子产品领域，可生物降解的材料首先被应用在手机上，这并不是巧合。因为像电视机、计算机这样体型较大的电子产品，通常可以通过拆分的方式，把塑料外壳等分离出来，分门别类地进行回收和再利用。而对于手机之类的微型电子产品，进行拆分回收利用，可能就有些得不偿失了。而电子产品的微型化又是一个趋势，今后会有更多小巧玲珑的电子产品问世。研究开发可生物降解的材料，对于这样的电子产品尤为重要。可生物降解材料在芯片中的应用也很重要，因为芯片就像是电子产品的“心脏”。

从整个社会的视角来看，以塑料废弃物为标志的“白色污染”正愈演愈烈，石油等资源趋于枯竭也绝非危言耸听，而可生物降解材料的开发在材料性能等方面又遭遇了难题。在这样的大背景下，用于电子产品的可生物降解材料的可喜进展，堪称是人们向绿色环保材料迈进的一次破冰之旅。虽然是初试锋芒，却弥足珍贵。

假如有一天，你用上了聚乳酸外壳做的手机，会不会联想到酸奶？或者，你阅读了本文之后，会在喝酸奶的时候想到手机呢？也许你还有更新奇的想法，欢迎与我们大家分享！