新型可持續(xù)電子產(chǎn)品：3D 打印可生物降解的傳感器和顯示器

2023年7月9日，南極熊獲悉，位于瑞士迪本多夫的 Empa 纖維素和木質(zhì)材料實驗室的研究人員取得了重大突破，他們開發(fā)了一種性能卓越的3D打印材料。這種材料具有可3D 打印特性、生物降解性、變色性和導(dǎo)電性。通過將纖維素和碳納米管結(jié)合起來，該團隊為可持續(xù)傳感器和顯示器的發(fā)展帶來了新的機遇。

△當(dāng)天氣變暖時，打印的 Empa 徽標(biāo)會變色。（圖片來源：Empa）

科學(xué)家們開始使用羥丙基纖維素（HPC）進行實驗，羥丙基纖維素是藥品和食品中常用的物質(zhì)，與水混合時會形成液晶。這些晶體具有令人驚奇的特性：不同結(jié)構(gòu)（由 HPC 的濃度等決定）的晶體會閃爍不同的顏色，盡管它們不含顏色或顏料。這種現(xiàn)象被稱為結(jié)構(gòu)著色，這是在自然界中很常見的現(xiàn)象。例如，孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和變色龍皮膚的絢麗色彩不是來自顏料，而是來自微觀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)將（白色）日光“分裂”成光譜顏色，并僅反射特定顏色的波長。

△自然界中的結(jié)構(gòu)著色案例

HPC 的結(jié)構(gòu)色隨溫度和濃度的變化而變化。為了更好地利用這一特性來控制顏色變化，研究人員在 Gustav Nyström 的指導(dǎo)下將碳納米管（0.1wt%）引入 HPC-水混合物中。這使得液體變得導(dǎo)電，從而可以通過施加電壓來控制溫度，從而控制液晶的顏色。作為額外的好處，碳可以充當(dāng)寬帶吸收器，加深顏色。Nyström 的團隊還能夠通過在混合物中加入少量纖維素納米纖維使其可 3D 打印，而不影響結(jié)構(gòu)著色或?qū)щ娦浴?/div>

研究人員使用新型纖維素混合物 3D 打印了新技術(shù)的許多潛在應(yīng)用。其中包括根據(jù)機械變形而改變顏色的應(yīng)變傳感器和簡單的七段顯示器。

△當(dāng)施加電壓時，打印的導(dǎo)電部分會改變顏色。（圖片來源：Empa）

為了確保該材料與 3D 打印技術(shù)的兼容性，同時保留其結(jié)構(gòu)著色和導(dǎo)電性，研究人員將纖維素納米纖維納入混合物中。這一突破為創(chuàng)建可生物降解的電子產(chǎn)品鋪平了道路，包括根據(jù)機械變形而改變顏色的應(yīng)變傳感器和基本的七段顯示器。

這項研究的合著者 Xavier Aeby 對這種纖維素墨水的潛在應(yīng)用表示了很大的興趣，并設(shè)想將其用于食品質(zhì)量控制和生物醫(yī)學(xué)診斷。由于對結(jié)構(gòu)著色的生成及其對不同環(huán)境條件和添加劑的響應(yīng)的迷戀，該團隊旨在進一步深入研究這一領(lǐng)域。

可持續(xù)和 3D 打印材料的開發(fā)為可生物降解電子產(chǎn)品和不斷擴大的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域帶來了巨大的希望。未來，纖維素墨水可能會用于多種應(yīng)用，包括溫度和應(yīng)變傳感器、食品質(zhì)量控制和生物醫(yī)學(xué)診斷。通過不斷探索，Empa 的研究人員努力發(fā)現(xiàn)新的迷人現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)這項突破性技術(shù)的其他潛在應(yīng)用。

“我們的實驗室已經(jīng)開發(fā)了不同的基于纖維素的一次性電子元件，例如電池和傳感器。這是我們第一次能夠開發(fā)基于纖維素的顯示器�！�

——XavierAeby，Empa 研究合著者

“可 3D 打印的可持續(xù)材料引起了人們的極大興趣，特別是對于可生物降解電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。關(guān)于結(jié)構(gòu)著色是如何產(chǎn)生的以及它如何隨著不同的添加劑和環(huán)境條件而變化，仍然存在許多懸而未決的問題�！�

——古斯塔夫·尼斯特倫，Empa