搜索熱:3D打印 鋁合金
掃一掃 加微信
首頁 > 新聞資訊 > 行業動態 > 消息正文
首頁 > 新聞資訊 > 行業動態 > 消息正文
蠶絲,千年材料的新發展
發布:Iron_MAN10   時間:2019/11/13 9:01:20   閱讀:173 
分享到新浪微博 分享到騰訊微博 分享到人人網 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter

說到蠶絲,最先想到的會是什么?雙十一剁手的絲巾、真絲睡衣、蠶絲被?腦洞大一點的蠶絲面膜?亦或是某些吃貨鐘愛的鮮美蠶蛹?
 

圖片來源自某寶網

當然,筆者不是網紅,也沒想著“OMG”帶貨。從科學的角度看來,蠶絲還是一種有用的材料,不但可以作為柔性電子器件的襯底,更可以用于介電層、優質碳源等。近日,美國塔夫茨大學David Kaplan和清華大學張瑩瑩等研究者在Acc. Chem. Res.雜志上發表綜述,總結了近年來蠶絲及其復合材料在生物電子學和柔性器件設計中廣泛的應用。
 

蠶絲材料發展簡史。圖片來源:Acc. Chem. Res.

蠶絲具有豐富的材料形態,良好且可編程的機械強度、獨特的光電性能、以及優異的生物相容性、生物可降解性和易加工性等特點。材料的微觀結構決定其宏觀性質,所以,我們首先還要從蠶絲的化學組成和結構說起。
 

絲綢的各種材料形式。圖片來源:Acc. Chem. Res.

蠶吐絲,自縛而成繭。蠶繭由兩條平行的蠶絲纖維組成,纖維橫截面呈三角形,約占蠶繭重量的70-80%,表面覆蓋一層絲膠。蠶絲纖維屬于蛋白質,將其進一步放大,每根蠶絲纖維又是由直徑30-35 nm的納米纖維束纏繞得到。其化學成分主要包含兩條通過二硫鍵相連的鏈狀多肽,其中H-鏈(Heavy Chain)中的疏水結構通過分子內或分子間的相互作用,形成β-微晶。蠶絲也因此具有良好的機械穩定性。
 

蠶絲的層次結構和化學結構示意圖。圖片來源:Acc. Chem. Res.

柔性基底

與合成聚合物纖維相比,蠶絲纖維具有良好的生物相容性、機械穩定性和大規模可持續生產的特點,這使其成為可穿戴電子產品優選的基底材料。

例如,通過將氧化石墨烯與蠶絲纖維結合,利用還原氧化石墨烯的導電性能和蠶絲的機械性能,可研制柔性可折疊石墨烯/蠶絲復合紙,并作為柔性葡萄糖傳感器的襯底。進一步將蠶絲紡織,通過浸漬涂層、絲網印刷、聚合物輔助金屬沉積、蒸發沉積和濺射等技術,再與功能元件相結合,可以得到智能紡織品材料。有研究者便將蠶絲紡織品與石墨烯結合,開發出具有多層結構的可穿戴脈搏傳感器、摩擦電發電機等。
 

蠶絲纖維作為柔性電子產品的生物基質。圖片來源:Acc. Chem. Res.

除了紡織工藝,蠶絲還可以通過滴注、旋涂、逐層組裝等方法得到柔韌透明的蠶絲薄膜。與傳統的聚對苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷等聚合物薄膜相比,蠶絲膜具有良好的生物吸附性、可降解性等諸多優勢。已被報道的文獻中,蠶絲薄膜作為柔性基底應用于生物電子學、生物傳感器、有機太陽能電池、有機發光二極管等電子器件。
 

蠶絲纖維作為柔性電子產品的生物基質。圖片來源:Acc. Chem. Res.

有研究者更是利用蠶絲,制備出能在人體中自然溶解的超薄電子裝置——“電子紋身”,一類可以在人體皮膚上彎曲和拉伸的傳感器。有趣的是,蠶絲襯底能實現可控的溶解,通過改變其化學結構中,疏水結構β-微晶的長短,就可以控制傳感器的“消失時間”。
 

可溶解的“電子紋身”。圖片來源:Science [1]

介電層

除了用于可穿戴電子設備的柔性基底,蠶絲材料還具有優異的介電性能(介電常數:6.1)。有研究者利用其作為介電層,以并五苯為溝道,制備出低工作電壓(3 V)且高遷移率(23.2 cm2 V-1 s-1)的柔性有機場效應晶體管(OFET)。

類似的,蠶絲還可用于生物摩擦發電機的介電鞘層,利用3D打印技術,在纖維上面印制一層碳納米管(CNTs),就可以與紡織品衣物相結合,從人體運動中獲取能量。
 

蠶絲材料用于柔性電子器件的介電層。圖片來源:Acc. Chem. Res.

碳源

蠶絲除了具有各種形態外,蛋白質的天然特質,為高氮含量提供了保證。因此,通過簡單的熱解,就可以將其轉化為氮摻雜的碳材料。研究者將絲織物碳化,制備了柔性碳纖維織物,并將其設計為柔性應變傳感器,具有超高的靈敏度。在此基礎上,研究者還開發出同時監測溫度和壓力的柔性雙模電子皮膚。另外,利用蠶絲前驅體固有的N摻雜特性,可以設計出高活性電極材料,并在柔性鋅空氣電池中,表現出優異的電催化活性和穩定性。
 

基于蠶絲織物的可穿戴應變傳感器。圖片來源:Acc. Chem. Res.


基于蠶絲結構的電子皮膚。圖片來源:Acc. Chem. Res.

蠶絲,作為一種已有上千年歷史的天然生物材料,由于其良好的物理化學性質、豐富多樣的材料形態,不但沿用至今,更成為柔性電子領域新的熱點材料,為可穿戴器件及柔性能源領域提供了廣闊的發展前景,更是在生物醫學應用中體現出優異的生物相容性和可控的降解特征。從自然出發,一直是很多科研工作者所倡導的。蠶絲及其復合結構,無疑是一類極有潛力的材料。

原文(掃描或長按二維碼,識別后直達原文頁面,或點此查看原文https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00333):

Silk-Based Advanced Materials for Soft Electronics
Chunya Wang, Kailun Xia, Yingying Zhang, David L. Kaplan
Acc. Chem. Res., 2019, 52, 2916-2927, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b0033

參考文獻:

1. Hwang S. W., Tao H., Kim D. H., et al. A Physically Transient Form of Silicon Electronics. Science, 2012, 337, 1640-1644. DOI: 10.1126/science.1226325
https://science.sciencemag.org/content/337/6102/1640  


來源;X-MOL
 
相關信息
   標題 相關頻次
  中國科學家研發出新型納米發光材料助力腫瘤光動力治療
 1
 “不完美”的完美:Nature報道3D打印抗損傷結構化“超晶體”
 1
 不做衣裳做濾膜:蠶絲變身理想過濾材料
 1
 吃下碳納米材料 蠶寶寶吐出超強絲
 1
 大連化物所非鉛雙鈣鈦礦納米晶發光動力學研究取得新進展
 1
 分析國內聚醚醚酮(PEEK ) FDM 3D打印技術的進展
 1
 國外最近兩周(1002-1015)高分子前沿信息匯總:電熱特性優良的聚合物 | 半透明聚酰胺
 1
 黃維院士研究團隊:以金屬有機半導體研究創造“光電神話”
 1
 加州大學開發新型陶瓷焊接技術 獲《Science》刊登
 1
 孔隙率可控的多孔羥基磷灰石生物陶瓷的制備
 1
 馬里蘭大學胡良兵Adv. Funct. Mater.:密實、自形成的炭層使阻燃木材結構材料成為可能
 1
 美國科學家研發出強度可以匹敵蜘蛛絲的再生蠶絲
 1
 鎂合金植入物治療骨傷不損組織
 1
 盤點2016全球最受關注的十大化學成果
 1
 全無機鈣鈦礦CsPb2Br5中本征缺陷誘導綠光
 1
 日本發現一種新合金,將克服生產超級工程塑料難題
 1
 上海科技大學凌盛杰教授課題組與合作者利用蠶絲開發出可規模化生產的多功能電子織物
 1
 透明瓷粉的制備與性能
 1
 新型醫用Ti12.5Zr2.5Nb2.5Ta鈦合金的耐腐蝕性及生物相容性
 1
 一舉三得!生物相容性、高導電性、高可拉伸性
 1
 醫療:PEEK相較金屬植入物的優勢與不足
 1
一周新聞 Top 10
新品發布
專題報道
重庆老时时时走势图 财经频道讲的快速赚钱 开淘宝店赚钱容易吗 2018海南环岛赛分组 金凤凰彩票群 悠洋棋牌官方下载 葡萄大棚赚钱吗 镇魔曲新手赚钱 创盈彩票首页 乐彩网技巧 想出卖身体赚钱 还有刺激 u惠赚钱软件下载 四川金7乐下载安装 涉及物流费用 怎么赚钱 广东11选5软件 摆地摊赚钱项目游戏 北京pk10直播交流平台