中科院青岛能源所:研发可用于柔性导电器件的生物相容性墨水

12bet备用网址官网2018年8月20日讯  近期,中国科学院青岛生物能源与过程研究所李朝旭研究员在AdvancedFunctional Materials上发表了一篇题为“Liquid Metal Droplets Wrapped with Polysaccharide Microgel as Biocompatible Aqueous Ink for Flexible Conductive Devices”的研究论文。该论文采用超声技术将镓铟共晶(EGaIn)分散在低浓度海藻酸溶液中,制备出一种高导电率的纳米尺寸海藻酸微凝胶包裹的液态金属液滴的生物墨水。

液态金属由于其低熔点(低于300℃)、高沸点(高于1000℃)、低粘度、高表面张力、高体积电导率(106 S·m-1)、广泛的金属溶解能力、多重响应性以及表面天然二维纳米氧化膜等优异且独特的性质,而在催化、电化学、生物医药、柔性电子等领域具有极大的应用潜力。近来,液态金属和PDMS等高分子材料制备的新型复合材料展示出高韧性、高导电率、缺口不敏感性以及自修复等优异性能,但液态金属与水凝胶的结合却少有报道,值得深入研究。

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中科院青岛能源所:研发可用于柔性导电器件的生物相容性墨水

图1. (A)海藻酸凝胶包裹EGaIn纳米液滴墨水的制备示意图;EGaIn液滴的SEM图像(B)和TEM图像(C);不同海藻酸浓度下纳米液滴壳壁厚度(D)和液滴直径(E)(比例尺为100 nm)。

如图1所示,海藻酸不仅通过羧基与金属液滴表面的Ga3+的相互作用促进EGaIn的粒径从400nm减小至100nm,并且与表面Ga3+产生螯合作用形成一层类似鸡蛋壳的坚固且不透氧气的纳米凝胶层。纯水中的液态金属纳米微粒仅能稳定存在6小时以内,而微凝胶层极大地提高了纳米液态金属胶体的稳定性,使其可在空气中稳定存在7天以上,并在氮气保护中稳定存在超过60天。此外,由于海藻酸层中富含羧基等极性基团,使得EGaIn液滴可以通过喷墨印刷、丝网印刷等方式附着在多种基底表面,并可通过“机械力烧结”恢复到接近EGaIn的电导率(4.8×105S·m-1)。而且由于液态金属液滴与海藻酸壳以及基底的强相互作用,使得液态金属墨水难以发生失水开裂。最后,海藻酸通过束缚有细胞毒性重金属Ga3+离子和自身极好的生物相容性,进一步提高了液态金属液滴的生物相容性。

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图2. EGaIn液滴在空气中7天(A)和氮气中60天(B)的SEM图像;(C)氮气中不同储存时间的EGaIn液滴XRD图像;(D)EGaIn液滴在海藻酸、水、羧甲基纤维素、透明质酸、吉兰糖胶、壳聚糖超声后的胶体稳定性与化学稳定性;(E)EGaIn液滴有无海藻酸壳包裹的生物毒性。

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图3. (A)不同基质上的图案化;(B)无裂纹涂层的SEM图像;(C)机械烧结原理示意图;(D)烧结后涂层的SEM图像;(E)不同机械烧结压力下涂层电导率以及不同粒径的临界烧结压力;(F)烧结后涂层导电稳定性。

液态金属液滴烧结后除了提高材料的电导率外,还使得材料可以通过电场加热脱水变形,并在70%的相对湿度下快速恢复。

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图4. A. EGaIn生物墨水(5μm)U型涂覆在纳米纤维素基底上(110μm);B. 焦耳热引发驱动器运动;C. 不同电压下的最大变形;EGaIn生物墨水涂覆的PU泡沫(D)以及机械烧结前(E,F)和烧结后(G)液态金属层在纤维支架上的图像;(H)EGaIn生物墨水涂覆PU泡沫相对电阻随压缩应变的变化;(I)EGaIn泡沫作为压力传感器;(J)压缩应力导致的孔变化

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图5. EGaIn泡沫用作运动传感器。(A,B)对腕部和头部运动的传感;(C)5×5的位置传感器;(D)位置传感器相对阻值的变化。

本文采用超声技术,方便的将镓铟共晶(EGaIn)分散在低浓度海藻酸溶液中,海藻酸不仅通过羧基与金属液滴表面的Ga3+的相互作用促进EGaIn粒子的纳米化,并且与表面Ga3+产生螯合作用形成一层类似鸡蛋壳的坚固且不透氧气的纳米凝胶层,大大提供了金属纳米液滴的分散稳定性,这种高导电率的纳米尺寸海藻酸微凝胶包裹的液态金属液滴可用于柔性导电器件的生物墨水使用。

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