研究人員展示蛋清水凝膠和蛋清液體樣品。
未來的可穿戴電子設備、物聯網設備、隱形設備和綠色能量收集設備等需要特殊的材料滿足特殊的功能。這些材料應該能夠導電,需要具有優異的透明性,低遲滯,可規模生產,高度可拉伸性,穿戴舒適等。
目前研究的方案大多集中在將導電聚合物和可拉伸的基材結合上,由於材料分層和粘彈性等特徵,實際應用時會出現明顯的遲滯和感應範圍低等缺陷,無法同時滿足材料在電子、光學和機械上的要求。
納米複合材料和導電聚合物的透明度均只能達到90%左右。拉伸變形也是一個問題。另一種解決方案是含金屬的液體,低粘度可防止出現機械失配問題,但透明度表現不佳,只能達到約85%。
科學家從一種廉價、常見的材料入手,取得了重大的突破,這種材料就是蛋清。
蛋清粘稠且透明,是一種水凝膠,這給了研究人員靈感。初步實驗發現,由蛋清形成的水凝膠粘合材料即使在水下也可以承受6公斤重的重量。
蛋清確實有一定的透明度,但還不夠高。科學家用鹼性溶液處理蛋清,這樣可以阻止蛋清的蛋白質形成更大的網絡,得到了一致性更好的水凝膠,提高蛋清液的透明度,同時也進一步提高了電導率,並降低了粘度。
蛋清中的蛋白質富含羧基。當加入鹼性溶液時,會形成羧基離子,改變分子之間的靜電相互作用,從而使它們重新排列和交聯,形成在稀鹼性溶液中穩定的凝膠。當這種水凝膠持續保留在鹼性環境中時,蛋白質開始水解,會再次改變氨基酸鏈的結構,最終形成了蛋清液體。
整個處理過程是:初始蛋清凝膠 - 改性蛋清凝膠 - 蛋清液體。
實驗中蛋清液體測得了極好的電導率(20.4S/m)和超高透明性(高達99.8%)。同時具有出色的靈敏度和可忽略的遲滯現象(0.77%)。
極佳的透明度
這些特性適合於監測人體運動和動態模量。液體的性質可用於電子系統非接觸式的手勢控制界面。另外,可以將蛋清液體導體用於摩擦電納米發電機,可以作為機械和壓力傳感器。
當液體被封裝在彈性通道中時,電阻率會隨着橫截面面積的減小而增加,複合材料在反覆拉伸和鬆弛後的遲滯現象也非常低。
拉伸實驗
研究人員利用這些應變響應電子特性,製作了一系列實驗設備。
血壓傳感器
壓力傳感器
位置傳感器
手勢控制
納米摩擦發電機
液化前凝膠狀態的蛋清具有一定強度和彈性,適用於3D打印,因此可以很方便的應用於彈性電子設備的規模性生產當中。
所有這些新特性有機會推動新型可穿戴電子設備、人機界面和清潔能源的發展。