3D打印的蛋清胜过现有的柔性电子材料

国际金属加工网 2020年05月27日

加拿大和中国的研究人员在《Advanced Functional Materials》杂志上的报道表明,一种从蛋清中提取的物质可能会比其他更经济、更环保的柔性材料替代品更好。

加拿大马尼托巴大学的研究人员Malcolm Xing在思考生物胶的时候,第一次把目光投向了蛋清。"有一天,当我敲碎一个鸡蛋准备做食物时,发现透明而黏稠的蛋清总是停留在蛋壳内侧,"Xing解释说。进一步调查发现,由蛋清形成的水凝胶结合材料,即使在水下,也能承受6公斤重的质量。但当水凝胶中交联的蛋清氨基酸链没有被定型时,进一步的惊喜出现了。Xing和他的合作者们发现,在蛋清中加入相同的碱性溶液形成水凝胶时,最终会引发进一步的相变,回到液体中,而这种液体恰好具有高透明度、离子传导性和低粘度,这对柔性电子有好处。

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蛋清中的蛋白质含有丰富的羧基,这也是Xing和他的合作者在之前的研究中观察到的。当加入碱性溶液时,这些基团会形成羧基离子,改变分子之间的静电作用,使它们重新排列和交联,形成在稀碱溶液中稳定的凝胶。然而,当这种水凝胶一直浸泡在碱性环境中时,它就开始水解,从而再次改变氨基酸链的结构,形成液体。"据我们所知,我们是第一个报道了碱性溶液在整个蛋清的液-固-液转变过程中,拥有构造面和破坏面的这种Janus作用。"Xing说。

无论是纳米材料复合材料还是导电高分子,其透明度都被限制在90%左右。拉伸也是一个问题。纳米材料可以通过拉伸材料提供导电通路,而拉伸材料通常不导电,但它们容易发生聚集,拉伸材料会导致这些通路断裂。将导电聚合物之类的东西与拉伸弹性体结合在一起,由于材料特性的不匹配,会导致行为上的滞后变化,这就成了问题。研究人员研究的另一个解决方案是金属液体,低粘度可以避免机械错配的问题,但其透明度进一步受到限制,约为85%。

Xing、Feng Lu和他们在加拿大马尼托巴大学和中国南方医科大学的合作者对水凝胶形成的蛋清液进行了表征,测得其透明度高达99.8%的超高透明度。Xing将其归功于高比例(95%)的物质是水,而水本身就是透明的。然后在水凝胶中包含这种水的网络是部分反射性地,但由于在凝胶-溶胶过渡过程中,这种反射性的网络会崩塌,所以液体的透明度甚至比水凝胶还要高。

向液体的过渡也使电导率从16.9 S m-1增加到20.4 S m-1。更坚硬的水凝胶在液态化之前可以很容易地进行3D打印,这在生产拉伸电子器件用弹性体混合结构时非常方便。当液体被封装在弹性体通道中时,所制得的材料具有随应变增加而增加的电阻率,随着横截面积的减小,这种混合材料在反复拉伸和松弛后的滞后率为0.77%,令人印象深刻。"可以忽略不计的磁滞是我们在可穿戴式电子产品中采用蛋清液作为导体时的最大惊喜,因为用这种普通的材料和设计来获得这样的性能并不容易。"Xing说。

研究人员在一系列设备中利用了这些应变响应的电子特性。他们展示了一种手腕脉搏监测器,可以确定血管功能的更精细的细节。他们制作了一个用户界面的consul,可以读取面部表情,并通过手腕的轻弹驾驶无线电控制的玩具车。最后,他们将蛋清液和弹性体结构融入到纳米发电机装置中,该装置可以在拍打时打开LED,以响应拍打声。未来的研究重点是开发蛋清液作为软性机器人和人工肌肉的智能材料。

论文标题为《Protein Gel's Phase Transition: Toward Superiorly Transparent and HysteresisFree Wearable Electronics》。

(3D打印世界)

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