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中國科學家打雞蛋時靈光乍現,3D打印蛋清比現有柔性電子材料表現更好

中國科學家打雞蛋時靈光乍現,3D打印蛋清比現有柔性電子材料表現更好

【摘要】:
對于從監視生物特征識別到免提用戶界面等一系列應用而言,設備最好具有足夠的靈活性,可以舒適地佩戴,反應靈敏,能測量脈搏并且是透明的,因此幾乎不引起注意。但是,要滿足這些要求,所需材料性能仍然很高。
許多研究都集中在合成導電聚合物或導電納米材料與柔性或可拉伸基材結合的可能性上,但到目前為止,還沒有一種方法能夠同時滿足這些應用的電子、光學和機械要求?,F在,來自加拿大和中國的高級功能材料研究人員的報告表明,源自蛋清的物質可能勝過其它在經濟和環境上成本更高的替代品。從蛋清中提取的一種物質可能比其他替代品表現要好,更經濟、更環保。
基本的相變
加拿大馬尼托巴大學的研究人員Malcolm Xing在考慮生物黏附劑的時候,首先把注意力轉向了蛋白。Malcolm Xing解釋說:“有一天我打雞蛋準備做雞蛋吃的時候,我發現蛋清是透明的,黏黏的,一直留在蛋殼上?!?/span>
進一步的研究表明,由蛋清形成的水凝膠結合材料即使在水下也能承受6公斤的重量。但是,當在水凝膠中交聯的蛋清氨基酸鏈未凝固時,還會有更多的驚喜。Xing和他的合作者發現,用來形成水凝膠的堿性溶液,添加到蛋清中時,最終繼續引發進一步的相變,轉變回具有高透明度、離子電導率和低粘度的液體,這將有利于柔性電子產品。。
正如Malcolm Xing和他的合作者在之前的研究中觀察到的那樣,蛋清中的蛋白質含有豐富的羧基。當加入堿性溶液時,這些分子形成羧基離子,改變分子之間的靜電相互作用,使它們重新排列并交聯,形成在稀堿性溶液中穩定的凝膠。
然而,當這種水凝膠浸泡在堿性環境中時,它開始水解,再次改變氨基酸鏈的結構,形成液體?!皳覀兯?,我們是第一個報道堿性溶液在蛋清整個液-固-液轉變過程中具有結構面和破壞面這一兩面作用的?!盭ing說。
擊敗競爭對手
納米復合材料和導電聚合物的透明度都被限制在90%左右。拉伸也是一個問題。納米材料可以通過通常不導電的拉伸材料提供傳導通路,但它們容易聚集,拉伸材料會導致這些傳導通路的斷裂。
由于材料性能的不匹配,將諸如導電聚合物之類的東西與彈性高彈體結合在一起是有問題的,這會導致行為的滯后變化。研究人員研究的另一種解決方案是金屬液體,該液體的低粘度可防止出現機械失配問題,但其透明度進一步受到限制,約為85%。
Xing和 Feng Lu以及他們在加拿大曼尼托巴大學和中國南方醫科大學的合作者對水凝膠形成的蛋清液體進行了表征,并測定了其99.8%的超高透明度。
Xing將此歸因于這種物質中水的高含量(95%),水本身就是透明的。水凝膠中含有這些水的網狀結構部分是反光的,但由于在凝膠-溶膠轉變過程中會發生坍塌,所以液體比水凝膠更加透明。
向液體的轉變也使電導率從16.9 S m-1提高到20.4 S m-1。較硬的水凝膠在液化前可以很容易地進行3D打印,這在生產用于彈性電子設備的具有彈性體的混合結構時很方便。當液體被封裝在彈性體通道中時,產生的材料的電阻率隨著截面面積的減小而增大,這種混合材料經過反復拉伸和松弛后的滯回率非常低,只有0.77%。
“當我們在可穿戴電子產品中采用蛋清液體作為導體時,可忽略的遲滯是一個大驚喜,因為用這種簡單的材料和設計不容易獲得這種性能?!?Xing說。
研究人員在一系列設備中利用了這些應變響應電子特性。他們展示了一種腕式脈搏監測器,可以確定血管功能的更精細細節,例如徑向增強指數和脈搏傳輸時間。他們制作了一個用戶界面設備,可以讀取面部表情并輕輕一按就能駕駛無線電遙控玩具車。

最終,他們將蛋清液體和彈性體結構整合到了摩擦電納米發電機裝置中,該裝置會在鼓掌時打開LED燈。未來的研究將集中于開發蛋清液體,作為軟體機器人和人造肌肉的智能材料。(前瞻網)

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