3-D-printede æggehvider overgår eksisterende fleksible elektronikmaterialer

Enheder, der er fleksible nok til at kunne bæres komfortabelt, følsomme nok til at måle en puls og gennemsigtige og dermed knap mærkbare er en attraktiv udsigt til en række applikationer fra overvågning af biometri til håndfri brugergrænseflader. Imidlertid, de nødvendige materialeegenskaber forbliver en høj orden. Meget forskning har fokuseret på mulighederne for syntetiske ledende polymerer eller ledende nanomaterialer kombineret med fleksible eller strækbare substrater, men ingen har hidtil været i stand til at møde den elektroniske, optiske og mekaniske krav til disse applikationer. Nu, melder ind Avancerede funktionelle materialer forskere i Canada og Kina foreslår, at et stof afledt af æggehvider kan udkonkurrere andre mere økonomisk og miljømæssigt dyre alternativer.

Grundlæggende faseovergange

Malcolm Xing, en forsker ved University of Manitoba i Canada, vendte først sin opmærksomhed mod æggehvider, mens han overvejede bioadhæsiver. "En dag da jeg knækkede et æg for at forberede ægbaseret mad, Jeg fandt æggehviden, gennemsigtig og klistret, forblev altid på den indre skal, " forklarer Xing. Yderligere undersøgelser viste, at et hydrogelbindende materiale dannet af æggehviden kunne modstå vægten af ​​6 kg-masser, selv under vandet. Men yderligere overraskelser opstod, da æggehvidens aminosyrekæder tværbundet i hydrogelen ikke blev sat. Xing og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at den samme alkaliske opløsning, der blev brugt til at danne hydrogelen, når den blev tilsat æggehvide, til sidst udløste en yderligere faseovergang tilbage til en væske, der havde netop den høje gennemsigtighed, ionisk ledningsevne og lav viskositet, der kunne gavne fleksibel elektronik.

Proteinerne i æggehvider er rige på carboxygrupper, som Xing og hans samarbejdspartnere havde observeret i tidligere forskning. Når en alkalisk opløsning tilsættes, disse danner carboxylioner, ændre de elektrostatiske vekselvirkninger mellem molekylerne, så de omarrangeres og tværbinder, danner en gel, der er stabil i fortyndet alkalisk opløsning. Imidlertid, når denne hydrogel forbliver gennemsyret i et grundlæggende miljø, det begynder at hydrolysere, som ændrer strukturen af ​​aminosyrekæderne igen, danner en væske. "Så vidt vi ved, vi er de første til at rapportere denne Janus rolle som alkalisk opløsning, besidder konstruktions- og ødelæggelsesansigter, i hele væske-faststof-væske overgangsprocessen af ​​æggehvide, " siger Xing.

Slår konkurrencen

Både nanomaterialekompositter og ledende polymerer er begrænset til en gennemsigtighed på omkring 90 %. Stræk er også et problem. Nanomaterialer kan give ledende veje gennem et strækbart materiale, der normalt ikke er ledende, men de er tilbøjelige til at aggregere, og strækning af materialet kan føre til brud i disse baner. At kombinere noget som en ledende polymer med en elastisk elastomer er problematisk på grund af uoverensstemmelser i materialeegenskaber, som fører til hysteretiske ændringer i adfærd. En anden løsning, som forskerne undersøgte, er metalvæsker, hvor den lave viskositet forhindrer problemer med mekaniske uoverensstemmelser, men deres gennemsigtighed er begrænset yderligere, til omkring 85 %.

Xing, Feng Lu og deres samarbejdspartnere på University of Manitoba i Canada og Southern Medical University i Kina karakteriserede den æggehvidevæske, der dannedes af hydrogelen og målte en ultrahøj gennemsigtighed på 99,8 %. Xing tilskriver dette den høje procentdel (95%) af stoffet, som er vand, som i sig selv er gennemsigtig. Netværket, der så indeholder dette vand i hydrogelen, er delvist reflekterende, men da dette kollapser under gel-sol overgangen, væsken er endnu mere gennemsigtig end hydrogelen.

Overgangen til en væske øger også ledningsevnen fra 16,9 S m ^-1 til 20,4 S m ^-1 . Den fastere hydrogel kan nemt 3D-printes, før den flyder, hvilket er praktisk ved fremstilling af hybridstrukturer med elastomerer til strækbare elektroniske enheder. Når væsken er indkapslet i elastomerkanaler, det producerede materiale har en resistivitet, der stiger med belastning, når tværsnitsarealet aftager, og hysteresen af ​​dette hybridmateriale efter gentagen strækning og afspænding er imponerende lave 0,77%. "Den ubetydelige hysterese var den store overraskelse, da vi adopterede æggehvidevæsken som en leder i bærbar elektronik, fordi det ikke er let at opnå denne form for ydeevne med dette almindelige materiale og design, " siger Xing.

Forskerne udnyttede disse belastningsreagerende elektroniske egenskaber i en række enheder. De demonstrerede en håndledspulsmåler, der kunne bestemme finere detaljer om vaskulær funktion, såsom radial augmentation indeks og puls transittid. De producerede en brugergrænsefladekonsul, der kunne læse ansigtsudtryk og køre en radiostyret legetøjsbil med et svirp med håndleddet. Endelig, de inkorporerede æggehvidevæsken og elastomerstrukturerne i triboelektriske nanogeneratorenheder, der tænder en LED som svar på klap. Fremtidig forskning vil fokusere på at udvikle æggehvidevæsken som et smart materiale til blød robotteknologi og kunstige muskler.

© 2020 Science X Network