3D打印的蛋清水凝膠勝過現(xiàn)有柔性電子材料

來源：激光天地

導讀：用于健康監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),、“隱形界面”和綠色能源采集的下一代可穿戴電子產(chǎn)品需要透明,、無滯后,、工業(yè)上可行且高度可拉伸的導電材料,。由于相對分層和粘彈性，離子水凝膠的實際潛力受到明顯滯后和有限傳感范圍的挑戰(zhàn),。

可穿戴軟電子設備最近已成為一個新興的研究領域,，它允許與曲線表面的兼容接口，提供了一種有效的方法來減輕信號噪聲,，并顯著擴展傳統(tǒng)剛性電子設備在醫(yī)療記錄,、人機接口和能量收集方面的能力；同時,，機械相似性有助于將對人體組織的刺激降至最低,，并實現(xiàn)連續(xù)的保健監(jiān)測,。除了采用設計巧妙的傳統(tǒng)導體外,，一股探索新型導電材料的熱潮正在興起，這種材料可以在良好的導電性和巨大的機械靈活性之間進行權衡,。但是,，所需的材料性能仍然很高。許多研究都集中在合成導電聚合物或?qū)щ娂{米材料與柔性或可拉伸基材結合的可能性上,，但到目前為止,，還沒有一種方法能夠同時滿足這些應用的電子，光學和機械要求,。

加拿大曼尼托巴大學的研究員馬爾科姆·邢（Malcolm Xing）首先在思考生物粘合劑的同時將注意力轉(zhuǎn)向了蛋清,。邢說：“有一天，當我把雞蛋打碎準備做蛋基食品時,，我發(fā)現(xiàn)蛋清,，透明且粘稠，始終留在內(nèi)殼上,�,！�

  

第一作者張強在曼尼托巴大學的馬爾科姆·邢實驗室中持有蛋清水凝膠和液體樣品

除了其獨特的環(huán)保和低成本之外，水凝膠還具有以下優(yōu)點：i）在整個可見光范圍內(nèi)具有更高水平的透明性（超過98％），可實現(xiàn)有效的視覺交流,；ii）由于特定水凝膠前體的粘彈性和剪切稀化特性,，可以通過直接3D打印輕松實現(xiàn)復雜的架構。

在對EWH（egg white hydrogel）動力學行為的不斷追求中,，研究人員發(fā)現(xiàn)了獨特的由堿水解引起的EWH相變過程,；從固體水凝膠到液體的自發(fā)液化在宏觀上和蛋白質(zhì)電泳上都得到證實；相變還導致機械模量顯著降低(從固相時的≈770帕降低到液相時的≈1帕),，所獲得的電子對抗液體(EWL)具有顯著高于原始電子對抗溶液的透射率(99.8% VS 47.7%),，回到具有高透明度、離子導電性和低粘度的液體中,，這有利于柔性電子,。

  

卵蛋白作為醫(yī)用膠水

3D打印能夠高效地實現(xiàn)立體結構，具有高保真度和從微觀到宏觀范圍的寬尺寸圖案,，無需模板,，已經(jīng)成為包括集成電子設備在內(nèi)的多個領域中的一種可靠且高通量的技術。但是,，不令人滿意的粘彈性限制了通過3D打印制造軟性柔性傳感器的可選油墨的范圍,。

  

EWH直接書寫油墨，用于3D打印和可拉伸電子制造

  

EWL生態(tài)傳感器拉伸和壓縮力的機電性能

高度可靠,，低滯后的EWL-Eco傳感器,，用于檢測現(xiàn)實世界中各種劇烈和細微的行為。

a）人體運動感應示意圖,。b）相對電阻隨手指彎曲的不同角度而變化,。c）雙軸纖維傳感器在手腕運動記錄中的應用。d）證明了通過注水向容器狀管施加的側(cè)向壓力,。e）通過單擊并按住傳感器表面來識別“ EGG WHITE”的摩爾斯電碼的人機交互界面的實施例,。f）EWL-Eco傳感器可監(jiān)測手腕脈搏并推斷出久坐和運動后狀況的健康狀況。g）感應前額皺紋運動,。h）通過EWL–Eco傳感器以非接觸模式檢測聲音振動,。

人機界面設備始終通過人與人之間的物理交互（即觸摸，按動或抓握）來執(zhí)行操作,，并且基于觸摸的電子設備（如鍵盤,，鼠標，智能手機）的推出為個人的發(fā)展鋪平了道路,。生活與科學,。技術的不斷進步孕育了眾多新興技術，以適應物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)的革命,，包括手勢控制的非接觸式用戶界面,。

  

EWL制造的手勢控制臺演示

最后，研究人員將蛋白液體和彈性體結構結合到摩擦電納米發(fā)電機裝置中，該裝置響應拍手而開啟發(fā)光二極管,。未來的研究將集中于開發(fā)蛋白液體作為軟機器人和人造肌肉的智能材料,。

  

EWL-TENG的發(fā)電機理，結構設計,，機械能收集和傳感特性

研究人員開發(fā)了具有溶膠-凝膠-溶膠（EW-EWH-EWL）相變過程的獨特液態(tài)蛋清,，并展示了其在電子傳感器，手勢控制控制臺和摩擦電動納米發(fā)生器中的廣泛應用,。相變后制備的EWL具有高達99.8%的高透明性和20.4 S m-1左右的離子電導率,。較硬的水凝膠在液化之前可以很容易地進行3D打印，這在生產(chǎn)用于彈性電子設備的具有彈性體的混合結構時很方便,。

參考文獻
Q. Chang, M. A. Darabi, Y. Liu, Y. He, W. Zhong, K. Mequanin, B. Li, F. Lu, M. M. Xing, J. Mater. Chem. A 2019, 7, 24626.
原文鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201910080