Enheter som är tillräckligt flexibla för att bäras bekvämt, känsliga nog att mäta en puls och transparenta och därmed knappt märkbara är ett attraktivt perspektiv för en rad applikationer från övervakning av biometri till handsfree-användargränssnitt. Dock, de materialegenskaper som krävs är fortfarande höga. Mycket forskning har fokuserat på möjligheterna med syntetiska ledande polymerer eller ledande nanomaterial i kombination med flexibla eller stretchiga substrat, men ingen har hittills kunnat möta den elektroniska, optiska och mekaniska krav för dessa applikationer. Nu, rapporterar in Avancerade funktionella material forskare i Kanada och Kina föreslår att ett ämne som härrör från äggvita skulle kunna överträffa andra mer ekonomiskt och miljömässigt kostsamma alternativ.

Grundläggande fasövergångar

Malcolm Xing, en forskare vid University of Manitoba i Kanada, vände först sin uppmärksamhet mot äggvita medan han funderade på biolim. "En dag när jag knäckte ett ägg för att förbereda för äggbaserad mat, Jag hittade äggvitan, genomskinlig och klibbig, förblev alltid på det inre skalet, " förklarar Xing. Ytterligare undersökningar visade att ett hydrogelbindande material som bildades av äggvitan kunde motstå vikten av 6 kg massor, även under vattnet. Men ytterligare överraskningar uppstod när äggviteaminosyrakedjorna som tvärbundits i hydrogelen inte sattes. Xing och hans medarbetare fann att samma alkaliska lösning som användes för att bilda hydrogelen när den sattes till äggvita så småningom utlöste en ytterligare fasövergång tillbaka till en vätska som hade precis den höga transparensen, jonkonduktivitet och låg viskositet som skulle kunna gynna flexibel elektronik.

Proteinerna i äggvita är rika på karboxigrupper, som Xing och hans medarbetare hade observerat i tidigare forskning. När en alkalisk lösning tillsätts, dessa bildar karboxyljoner, ändrar de elektrostatiska interaktionerna mellan molekylerna så att de ordnar om och tvärbinder, bildar en gel som är stabil i utspädd alkalisk lösning. Dock, när denna hydrogel förblir genomsyrad i en grundläggande miljö, det börjar hydrolysera, som ändrar strukturen på aminosyrakedjorna igen, bildar en vätska. "Så vitt vi vet, vi är de första att rapportera Janus roll som alkalisk lösning, som har konstruktions- och förstörelseansikter, i hela vätske-fast-vätska-övergångsprocessen för äggvita, säger Xing.

Slå konkurrenterna

Både nanomaterialkompositer och ledande polymerer är begränsade till en transparens på cirka 90 %. Stretch är också ett problem. Nanomaterial kan ge ledningsvägar genom ett töjbart material som normalt inte är ledande, men de är benägna att aggregeras, och sträckning av materialet kan leda till brott i dessa banor. Att kombinera något som en ledande polymer med en stretchig elastomer är problematiskt på grund av bristande överensstämmelse i materialegenskaper, vilket leder till hysteretiska beteendeförändringar. En annan lösning som forskarna undersökte är metallvätskor, där den låga viskositeten förhindrar problem med mekaniska felmatchningar, men deras insyn är begränsad ytterligare, till cirka 85 %.

Xing, Feng Lu och deras medarbetare vid University of Manitoba i Kanada och Southern Medical University i Kina karakteriserade äggvitevätskan som bildades från hydrogelen och mätte en ultrahög transparens på 99,8 %. Xing tillskriver detta den höga andelen (95%) av ämnet som är vatten, som i sig är transparent. Nätverket som sedan innehåller detta vatten i hydrogelen är delvis reflekterande, men eftersom detta kollapsar under gel-sol-övergången, vätskan är ännu mer transparent än hydrogelen.

Övergången till en vätska ökar också konduktiviteten från 16,9 Sm ^-1 till 20,4 Sm ^-1 . Den fastare hydrogelen kan enkelt 3D-printas innan den flyter ut, vilket är bekvämt när man tillverkar hybridstrukturer med elastomerer för stretchiga elektroniska enheter. När vätskan är inkapslad i elastomerkanaler, materialet som produceras har en resistivitet som ökar med töjning när tvärsnittsarean minskar, och hysteresen av detta hybridmaterial efter upprepad stretching och avslappning är imponerande låga 0,77 %. "Den försumbara hysteresen var den stora överraskningen när vi använde äggvitevätskan som en ledare i bärbar elektronik, eftersom det inte är lätt att få den här typen av prestanda med detta enkla material och design, säger Xing.

Forskarna utnyttjade dessa belastningskänsliga elektroniska egenskaper i en rad enheter. De demonstrerade en handledspulsmätare som kunde bestämma finare detaljer om kärlfunktion som radiellt förstärkningsindex och pulspassagetid. De tog fram en användargränssnittskonsul som kunde läsa ansiktsuttryck och köra en radiostyrd leksaksbil med en handvändning. Till sist, de införlivade äggvitevätskan och elastomerstrukturerna i triboelektriska nanogeneratorenheter som tänder en lysdiod som svar på klappning. Framtida forskning kommer att fokusera på att utveckla äggvitevätskan som ett smart material för mjuk robotik och konstgjorda muskler.

© 2020 Science X Network