Apparaten die flexibel genoeg zijn om comfortabel te worden gedragen, gevoelig genoeg om een ​​puls te meten en transparant en dus nauwelijks merkbaar zijn een aantrekkelijk vooruitzicht voor een scala aan toepassingen, van het monitoren van biometrie tot handsfree gebruikersinterfaces. Echter, de vereiste materiaaleigenschappen blijven een hele opgave. Veel onderzoek heeft zich gericht op de mogelijkheden van synthetische geleidende polymeren of geleidende nanomaterialen in combinatie met flexibele of rekbare substraten, maar tot nu toe is niemand in staat geweest om tegelijkertijd de elektronische, optische en mechanische eisen van deze toepassingen. Nutsvoorzieningen, melden in Geavanceerde functionele materialen onderzoekers in Canada en China suggereren dat een stof die is afgeleid van eiwitten, beter zou kunnen presteren dan andere, meer economisch en ecologisch kostbare alternatieven.

Basis faseovergangen

Malcolm Xing, een onderzoeker aan de Universiteit van Manitoba in Canada, richtte zijn aandacht voor het eerst op eiwitten terwijl hij nadacht over bioadhesieven. "Op een dag toen ik een ei brak om me klaar te maken voor voedsel op basis van eieren, Ik vond het eiwit, transparant en plakkerig, bleef altijd op de binnenschaal, " legt Xing uit. Nader onderzoek wees uit dat een hydrogelbindend materiaal gevormd uit het eiwit het gewicht van 6 kg massa's zou kunnen weerstaan, zelfs onder water. Maar verdere verrassingen deden zich voor toen de eiwit-aminozuurketens die in de hydrogel waren verknoopt, niet waren ingesteld. Xing en zijn medewerkers ontdekten dat dezelfde alkalische oplossing die werd gebruikt om de hydrogel te vormen toen deze aan eiwit werd toegevoegd, uiteindelijk een verdere faseovergang veroorzaakte naar een vloeistof die precies de hoge transparantie had, ionische geleidbaarheid en lage viscositeit die flexibele elektronica ten goede kunnen komen.

De eiwitten in eiwitten zijn rijk aan carboxygroepen, zoals Xing en zijn medewerkers in eerder onderzoek hadden opgemerkt. Wanneer een alkalische oplossing wordt toegevoegd, deze vormen carboxyl-ionen, het veranderen van de elektrostatische interacties tussen de moleculen, zodat ze herschikken en verknopen, het vormen van een gel die stabiel is in verdunde alkalische oplossing. Echter, wanneer deze hydrogel ondergedompeld blijft in een basisomgeving, het begint te hydrolyseren, die de structuur van de aminozuurketens weer verandert, een vloeistof vormen. "Voor zover we weten, we zijn de eersten die deze Janus-rol van alkalische oplossing melden, met bouw- en vernietigingsgezichten, in het hele vloeistof-vast-vloeistof overgangsproces van eiwit, ' zegt Xing.

De concurrentie verslaan

Zowel nanomateriaalcomposieten als geleidende polymeren zijn beperkt tot een transparantie van ongeveer 90%. Ook stretchen is een probleem. Nanomaterialen kunnen geleidende paden bieden door een rekbaar materiaal dat normaal niet geleidt, maar ze zijn vatbaar voor aggregatie, en het uitrekken van het materiaal kan leiden tot breuken in deze paden. Het combineren van zoiets als een geleidend polymeer met een rekbaar elastomeer is problematisch vanwege mismatches in materiaaleigenschappen, wat leidt tot hysteretische gedragsveranderingen. Een andere oplossing die de onderzoekers onderzochten, zijn metaalvloeistoffen, waar de lage viscositeit problemen met mechanische mismatches voorkomt, maar hun transparantie is verder beperkt, tot ongeveer 85%.

Xing, Feng Lu en hun medewerkers aan de Universiteit van Manitoba in Canada en de Southern Medical University in China karakteriseerden de eiwitvloeistof die gevormd werd uit de hydrogel en maten een ultrahoge transparantie van 99,8%. Xing schrijft dit toe aan het hoge percentage (95%) van de stof die water is, die zelf transparant is. Het netwerk dat dit water vervolgens in de hydrogel bevat, is deels reflecterend, maar aangezien dit instort tijdens de gel-sol overgang, de vloeistof is nog transparanter dan de hydrogel.

De overgang naar een vloeistof verhoogt ook de geleidbaarheid van 16,9 S m ^-1 tot 20,4 Sm ^-1 . De stevigere hydrogel kan gemakkelijk 3D-geprint worden voordat het vloeibaar wordt, wat handig is bij het produceren van hybride structuren met elastomeren voor rekbare elektronische apparaten. Wanneer de vloeistof is ingekapseld in elastomeerkanalen, het geproduceerde materiaal heeft een soortelijke weerstand die toeneemt met spanning naarmate het dwarsdoorsnede-oppervlak afneemt, en de hysterese van dit hybride materiaal na herhaaldelijk strekken en ontspannen is een indrukwekkend lage 0,77%. "De verwaarloosbare hysteresis was de grote verrassing toen we de eiwitvloeistof als geleider in draagbare elektronica adopteerden, omdat het niet eenvoudig is om dit soort prestaties te verkrijgen met dit eenvoudige materiaal en ontwerp, ' zegt Xing.

De onderzoekers gebruikten deze spanningsgevoelige elektronische eigenschappen in een reeks apparaten. Ze demonstreerden een polspulsmonitor die fijnere details van de vasculaire functie kon bepalen, zoals de radiale augmentatie-index en de pulstransittijd. Ze produceerden een consul met een gebruikersinterface die gezichtsuitdrukkingen kon lezen en in een handomdraai een radiografisch bestuurbare speelgoedauto kon besturen. Eindelijk, ze verwerkten de eiwitachtige vloeistof en elastomeerstructuren in tribo-elektrische nanogeneratorapparaten die een LED aanzetten als reactie op klappen. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het ontwikkelen van de eiwitvloeistof als een slim materiaal voor zachte robotica en kunstmatige spieren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk