中国科学家打鸡蛋时灵光乍现，3D打印蛋清比现有柔性电子材料表现更好
前瞻网2020-05-27 10:28
对于从监视生物特征识别到免提用户界面等一系列应用而言，设备最好具有足够的灵活性，可以舒适地佩戴，反应灵敏，能测量脉搏并且是透明的，因此几乎不引起注意。 但是，要满足这些要求，所需材料性能仍然很高。
许多研究都集中在合成导电聚合物或导电纳米材料与柔性或可拉伸基材结合的可能性上，但到目前为止，还没有一种方法能够同时满足这些应用的电子、光学和机械要求。 现在，来自加拿大和中国的高级功能材料研究人员的报告表明，源自蛋清的物质可能胜过其它在经济和环境上成本更高的替代品。从蛋清中提取的一种物质可能比其他替代品表现要好，更经济、更环保。
基本的相变
加拿大马尼托巴大学的研究人员Malcolm Xing在考虑生物黏附剂的时候，首先把注意力转向了蛋白。Malcolm Xing解释说:“有一天我打鸡蛋准备做鸡蛋吃的时候，我发现蛋清是透明的，黏黏的，一直留在蛋壳上。”
进一步的研究表明，由蛋清形成的水凝胶结合材料即使在水下也能承受6公斤的重量。 但是，当在水凝胶中交联的蛋清氨基酸链未凝固时，还会有更多的惊喜。 Xing和他的合作者发现，用来形成水凝胶的碱性溶液，添加到蛋清中时，最终继续引发进一步的相变，转变回具有高透明度、离子电导率和低粘度的液体，这将有利于柔性电子产品。 。
正如Malcolm Xing和他的合作者在之前的研究中观察到的那样，蛋清中的蛋白质含有丰富的羧基。当加入碱性溶液时，这些分子形成羧基离子，改变分子之间的静电相互作用，使它们重新排列并交联，形成在稀碱性溶液中稳定的凝胶。
然而，当这种水凝胶浸泡在碱性环境中时，它开始水解，再次改变氨基酸链的结构，形成液体。“据我们所知，我们是第一个报道碱性溶液在蛋清整个液-固-液转变过程中具有结构面和破坏面这一两面作用的。”Xing说。
击败竞争对手
纳米复合材料和导电聚合物的透明度都被限制在90%左右。拉伸也是一个问题。纳米材料可以通过通常不导电的拉伸材料提供传导通路，但它们容易聚集，拉伸材料会导致这些传导通路的断裂。
由于材料性能的不匹配，将诸如导电聚合物之类的东西与弹性高弹体结合在一起是有问题的，这会导致行为的滞后变化。研究人员研究的另一种解决方案是金属液体，该液体的低粘度可防止出现机械失配问题，但其透明度进一步受到限制，约为85％。
Xing和 Feng Lu以及他们在加拿大曼尼托巴大学和中国南方医科大学的合作者对水凝胶形成的蛋清液体进行了表征，并测定了其99.8%的超高透明度。
Xing将此归因于这种物质中水的高含量(95%)，水本身就是透明的。水凝胶中含有这些水的网状结构部分是反光的，但由于在凝胶-溶胶转变过程中会发生坍塌，所以液体比水凝胶更加透明。
向液体的转变也使电导率从16.9 S m-1提高到20.4 S m-1。较硬的水凝胶在液化前可以很容易地进行3D打印，这在生产用于弹性电子设备的具有弹性体的混合结构时很方便。当液体被封装在弹性体通道中时，产生的材料的电阻率随着截面面积的减小而增大，这种混合材料经过反复拉伸和松弛后的滞回率非常低，只有0.77%。
“当我们在可穿戴电子产品中采用蛋清液体作为导体时，可忽略的迟滞是一个大惊喜，因为用这种简单的材料和设计不容易获得这种性能。” Xing说。
研究人员在一系列设备中利用了这些应变响应电子特性。 他们展示了一种腕式脉搏监测器，可以确定血管功能的更精细细节，例如径向增强指数和脉搏传输时间。 他们制作了一个用户界面设备，可以读取面部表情并轻轻一按就能驾驶无线电遥控玩具车。
最终，他们将蛋清液体和弹性体结构整合到了摩擦电纳米发电机装置中，该装置会在鼓掌时打开LED灯。 未来的研究将集中于开发蛋清液体，作为软体机器人和人造肌肉的智能材料。
编译/前瞻经济学人APP资讯组
原文来源：
https://phys.org/news/2020-05-d-egg-whites-outperform-flexible.html
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910080
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