3D打印的蛋清水凝胶胜过现有柔性电子材料

3D打印快讯
2020
05/29
15:57
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来源:激光天地

导读:用于健康监测、物联网系统、“隐形界面”和绿色能源采集的下一代可穿戴电子产品需要透明、无滞后、工业上可行且高度可拉伸的导电材料。由于相对分层和粘弹性,离子水凝胶的实际潜力受到明显滞后和有限传感范围的挑战。

可穿戴软电子设备最近已成为一个新兴的研究领域,它允许与曲线表面的兼容接口,提供了一种有效的方法来减轻信号噪声,并显著扩展传统刚性电子设备在医疗记录、人机接口和能量收集方面的能力;同时,机械相似性有助于将对人体组织的刺激降至最低,并实现连续的保健监测。除了采用设计巧妙的传统导体外,一股探索新型导电材料的热潮正在兴起,这种材料可以在良好的导电性和巨大的机械灵活性之间进行权衡。但是,所需的材料性能仍然很高。许多研究都集中在合成导电聚合物或导电纳米材料与柔性或可拉伸基材结合的可能性上,但到目前为止,还没有一种方法能够同时满足这些应用的电子,光学和机械要求。

加拿大曼尼托巴大学的研究员马尔科姆·邢(Malcolm Xing)首先在思考生物粘合剂的同时将注意力转向了蛋清。邢说:“有一天,当我把鸡蛋打碎准备做蛋基食品时,我发现蛋清,透明且粘稠,始终留在内壳上。”

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第一作者张强在曼尼托巴大学的马尔科姆·邢实验室中持有蛋清水凝胶和液体样品

除了其独特的环保和低成本之外,水凝胶还具有以下优点:i)在整个可见光范围内具有更高水平的透明性(超过98%),可实现有效的视觉交流;ii)由于特定水凝胶前体的粘弹性和剪切稀化特性,可以通过直接3D打印轻松实现复杂的架构。

在对EWH(egg white hydrogel)动力学行为的不断追求中,研究人员发现了独特的由碱水解引起的EWH相变过程;从固体水凝胶到液体的自发液化在宏观上和蛋白质电泳上都得到证实;相变还导致机械模量显著降低(从固相时的≈770帕降低到液相时的≈1帕),所获得的电子对抗液体(EWL)具有显著高于原始电子对抗溶液的透射率(99.8% VS 47.7%),回到具有高透明度、离子导电性和低粘度的液体中,这有利于柔性电子。

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卵蛋白作为医用胶水

3D打印能够高效地实现立体结构,具有高保真度和从微观到宏观范围的宽尺寸图案,无需模板,已经成为包括集成电子设备在内的多个领域中的一种可靠且高通量的技术。但是,不令人满意的粘弹性限制了通过3D打印制造软性柔性传感器的可选油墨的范围。

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EWH直接书写油墨,用于3D打印和可拉伸电子制造


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EWL生态传感器拉伸和压缩力的机电性能

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高度可靠,低滞后的EWL-Eco传感器,用于检测现实世界中各种剧烈和细微的行为。
a)人体运动感应示意图。b)相对电阻随手指弯曲的不同角度而变化。c)双轴纤维传感器在手腕运动记录中的应用。d)证明了通过注水向容器状管施加的侧向压力。e)通过单击并按住传感器表面来识别“ EGG WHITE”的摩尔斯电码的人机交互界面的实施例。f)EWL-Eco传感器可监测手腕脉搏并推断出久坐和运动后状况的健康状况。g)感应前额皱纹运动。h)通过EWL–Eco传感器以非接触模式检测声音振动。

人机界面设备始终通过人与人之间的物理交互(即触摸,按动或抓握)来执行操作,并且基于触摸的电子设备(如键盘,鼠标,智能手机)的推出为个人的发展铺平了道路。生活与科学。技术的不断进步孕育了众多新兴技术,以适应物联网(IoT)系统的革命,包括手势控制的非接触式用户界面。

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EWL制造的手势控制台演示

最后,研究人员将蛋白液体和弹性体结构结合到摩擦电纳米发电机装置中,该装置响应拍手而开启发光二极管。未来的研究将集中于开发蛋白液体作为软机器人和人造肌肉的智能材料。

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EWL-TENG的发电机理,结构设计,机械能收集和传感特性

研究人员开发了具有溶胶-凝胶-溶胶(EW-EWH-EWL)相变过程的独特液态蛋清,并展示了其在电子传感器,手势控制控制台和摩擦电动纳米发生器中的广泛应用。相变后制备的EWL具有高达99.8%的高透明性和20.4 S m-1左右的离子电导率。较硬的水凝胶在液化之前可以很容易地进行3D打印,这在生产用于弹性电子设备的具有弹性体的混合结构时很方便。

参考文献
Q. Chang, M. A. Darabi, Y. Liu, Y. He, W. Zhong, K. Mequanin, B. Li, F. Lu, M. M. Xing, J. Mater. Chem. A 2019, 7, 24626.
原文链接:DOI: 10.1002/adfm.201910080

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