3D打印的蛋清水凝膠勝過現(xiàn)有柔性電子材料

來源：激光天地

導(dǎo)讀：用于健康監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、“隱形界面”和綠色能源采集的下一代可穿戴電子產(chǎn)品需要透明、無滯后、工業(yè)上可行且高度可拉伸的導(dǎo)電材料。由于相對分層和粘彈性，離子水凝膠的實(shí)際潛力受到明顯滯后和有限傳感范圍的挑戰(zhàn)。

可穿戴軟電子設(shè)備最近已成為一個新興的研究領(lǐng)域，它允許與曲線表面的兼容接口，提供了一種有效的方法來減輕信號噪聲，并顯著擴(kuò)展傳統(tǒng)剛性電子設(shè)備在醫(yī)療記錄、人機(jī)接口和能量收集方面的能力；同時，機(jī)械相似性有助于將對人體組織的刺激降至最低，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)的保健監(jiān)測。除了采用設(shè)計巧妙的傳統(tǒng)導(dǎo)體外，一股探索新型導(dǎo)電材料的熱潮正在興起，這種材料可以在良好的導(dǎo)電性和巨大的機(jī)械靈活性之間進(jìn)行權(quán)衡。但是，所需的材料性能仍然很高。許多研究都集中在合成導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娂{米材料與柔性或可拉伸基材結(jié)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(yīng)用的電子，光學(xué)和機(jī)械要求。

加拿大曼尼托巴大學(xué)的研究員馬爾科姆·邢（Malcolm Xing）首先在思考生物粘合劑的同時將注意力轉(zhuǎn)向了蛋清。邢說：“有一天，當(dāng)我把雞蛋打碎準(zhǔn)備做蛋基食品時，我發(fā)現(xiàn)蛋清，透明且粘稠，始終留在內(nèi)殼上。”

  

第一作者張強(qiáng)在曼尼托巴大學(xué)的馬爾科姆·邢實(shí)驗(yàn)室中持有蛋清水凝膠和液體樣品

除了其獨(dú)特的環(huán)保和低成本之外，水凝膠還具有以下優(yōu)點(diǎn)：i）在整個可見光范圍內(nèi)具有更高水平的透明性（超過98％），可實(shí)現(xiàn)有效的視覺交流；ii）由于特定水凝膠前體的粘彈性和剪切稀化特性，可以通過直接3D打印輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的架構(gòu)。

在對EWH（egg white hydrogel）動力學(xué)行為的不斷追求中，研究人員發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的由堿水解引起的EWH相變過程；從固體水凝膠到液體的自發(fā)液化在宏觀上和蛋白質(zhì)電泳上都得到證實(shí)；相變還導(dǎo)致機(jī)械模量顯著降低(從固相時的≈770帕降低到液相時的≈1帕)，所獲得的電子對抗液體(EWL)具有顯著高于原始電子對抗溶液的透射率(99.8% VS 47.7%)，回到具有高透明度、離子導(dǎo)電性和低粘度的液體中，這有利于柔性電子。

  

卵蛋白作為醫(yī)用膠水

3D打印能夠高效地實(shí)現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)，具有高保真度和從微觀到宏觀范圍的寬尺寸圖案，無需模板，已經(jīng)成為包括集成電子設(shè)備在內(nèi)的多個領(lǐng)域中的一種可靠且高通量的技術(shù)。但是，不令人滿意的粘彈性限制了通過3D打印制造軟性柔性傳感器的可選油墨的范圍。

  

EWH直接書寫油墨，用于3D打印和可拉伸電子制造

  

EWL生態(tài)傳感器拉伸和壓縮力的機(jī)電性能

高度可靠，低滯后的EWL-Eco傳感器，用于檢測現(xiàn)實(shí)世界中各種劇烈和細(xì)微的行為。

a）人體運(yùn)動感應(yīng)示意圖。b）相對電阻隨手指彎曲的不同角度而變化。c）雙軸纖維傳感器在手腕運(yùn)動記錄中的應(yīng)用。d）證明了通過注水向容器狀管施加的側(cè)向壓力。e）通過單擊并按住傳感器表面來識別“ EGG WHITE”的摩爾斯電碼的人機(jī)交互界面的實(shí)施例。f）EWL-Eco傳感器可監(jiān)測手腕脈搏并推斷出久坐和運(yùn)動后狀況的健康狀況。g）感應(yīng)前額皺紋運(yùn)動。h）通過EWL–Eco傳感器以非接觸模式檢測聲音振動。

人機(jī)界面設(shè)備始終通過人與人之間的物理交互（即觸摸，按動或抓握）來執(zhí)行操作，并且基于觸摸的電子設(shè)備（如鍵盤，鼠標(biāo)，智能手機(jī)）的推出為個人的發(fā)展鋪平了道路。生活與科學(xué)。技術(shù)的不斷進(jìn)步孕育了眾多新興技術(shù)，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)的革命，包括手勢控制的非接觸式用戶界面。

  

EWL制造的手勢控制臺演示

最后，研究人員將蛋白液體和彈性體結(jié)構(gòu)結(jié)合到摩擦電納米發(fā)電機(jī)裝置中，該裝置響應(yīng)拍手而開啟發(fā)光二極管。未來的研究將集中于開發(fā)蛋白液體作為軟機(jī)器人和人造肌肉的智能材料。

  

EWL-TENG的發(fā)電機(jī)理，結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)械能收集和傳感特性

研究人員開發(fā)了具有溶膠-凝膠-溶膠（EW-EWH-EWL）相變過程的獨(dú)特液態(tài)蛋清，并展示了其在電子傳感器，手勢控制控制臺和摩擦電動納米發(fā)生器中的廣泛應(yīng)用。相變后制備的EWL具有高達(dá)99.8%的高透明性和20.4 S m-1左右的離子電導(dǎo)率。較硬的水凝膠在液化之前可以很容易地進(jìn)行3D打印，這在生產(chǎn)用于彈性電子設(shè)備的具有彈性體的混合結(jié)構(gòu)時很方便。

參考文獻(xiàn)
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.
原文鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201910080