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科学家用最便宜的材料制成了革命性的柔性电子材料

由 漆雕佁 发布于 科技

研究人员展示蛋清水凝胶和蛋清液体样品。

未来的可穿戴电子设备、物联网设备、隐形设备和绿色能量收集设备等需要特殊的材料满足特殊的功能。这些材料应该能够导电,需要具有优异的透明性,低迟滞,可规模生产,高度可拉伸性,穿戴舒适等。

目前研究的方案大多集中在将导电聚合物和可拉伸的基材结合上,由于材料分层和粘弹性等特征,实际应用时会出现明显的迟滞和感应范围低等缺陷,无法同时满足材料在电子、光学和机械上的要求。

纳米复合材料和导电聚合物的透明度均只能达到90%左右。拉伸变形也是一个问题。另一种解决方案是含金属的液体,低粘度可防止出现机械失配问题,但透明度表现不佳,只能达到约85%。

科学家从一种廉价、常见的材料入手,取得了重大的突破,这种材料就是蛋清。

蛋清粘稠且透明,是一种水凝胶,这给了研究人员灵感。初步实验发现,由蛋清形成的水凝胶粘合材料即使在水下也可以承受6公斤重的重量。

蛋清确实有一定的透明度,但还不够高。科学家用碱性溶液处理蛋清,这样可以阻止蛋清的蛋白质形成更大的网络,得到了一致性更好的水凝胶,提高蛋清液的透明度,同时也进一步提高了电导率,并降低了粘度。

蛋清中的蛋白质富含羧基。当加入碱性溶液时,会形成羧基离子,改变分子之间的静电相互作用,从而使它们重新排列和交联,形成在稀碱性溶液中稳定的凝胶。当这种水凝胶持续保留在碱性环境中时,蛋白质开始水解,会再次改变氨基酸链的结构,最终形成了蛋清液体。

整个处理过程是:初始蛋清凝胶 - 改性蛋清凝胶 - 蛋清液体。

实验中蛋清液体测得了极好的电导率(20.4S/m)和超高透明性(高达99.8%)。同时具有出色的灵敏度和可忽略的迟滞现象(0.77%)。

极佳的透明度

这些特性适合于监测人体运动和动态模量。液体的性质可用于电子系统非接触式的手势控制界面。另外,可以将蛋清液体导体用于摩擦电纳米发电机,可以作为机械和压力传感器。

当液体被封装在弹性通道中时,电阻率会随着横截面面积的减小而增加,复合材料在反复拉伸和松弛后的迟滞现象也非常低。

拉伸实验

研究人员利用这些应变响应电子特性,制作了一系列实验设备。

血压传感器

压力传感器

位置传感器

手势控制

纳米摩擦发电机

液化前凝胶状态的蛋清具有一定强度和弹性,适用于3D打印,因此可以很方便的应用于弹性电子设备的规模性生产当中。

所有这些新特性有机会推动新型可穿戴电子设备、人机界面和清洁能源的发展。