Qiang Chang, primo autore del rapporto sul liquido dell'albume d'uovo contenente un campione dell'idrogel e del liquido dell'albume nel laboratorio di Malcolm Xing presso l'Università del Manitoba. Credito:Xing
Dispositivi abbastanza flessibili da essere indossati comodamente, abbastanza sensibili da misurare un impulso e trasparenti e quindi appena percettibili sono una prospettiva interessante per una vasta gamma di applicazioni, dal monitoraggio della biometria alle interfacce utente a mani libere. Però, le proprietà del materiale richieste rimangono un compito arduo. Molta ricerca si è concentrata sulle possibilità dei polimeri conduttivi sintetici o dei nanomateriali conduttori combinati con substrati flessibili o elastici, ma nessuno finora è stato in grado di soddisfare contemporaneamente l'elettronica, esigenze ottiche e meccaniche di queste applicazioni. Ora, informare Materiali funzionali avanzati ricercatori in Canada e Cina suggeriscono che una sostanza derivata dall'albume d'uovo potrebbe avere prestazioni migliori di altre alternative più costose dal punto di vista economico e ambientale.
Transizioni di fase di base
Malcom Xing, un ricercatore presso l'Università di Manitoba in Canada, per prima cosa rivolse la sua attenzione agli albumi mentre rifletteva sui bioadesivi. "Un giorno, quando ho rotto un uovo per preparare un cibo a base di uova, ho trovato l'albume, trasparente e appiccicoso, rimasto sempre sul guscio interno, " spiega Xing. Ulteriori indagini hanno rivelato che un materiale legante idrogel formato dall'albume poteva sopportare il peso di masse di 6 kg, anche sott'acqua. Ma ulteriori sorprese sono sorte quando le catene di aminoacidi dell'albume d'uovo reticolate nell'idrogel non sono state fissate. Xing e i suoi collaboratori hanno scoperto che la stessa soluzione alcalina utilizzata per formare l'idrogel quando aggiunta all'albume alla fine ha innescato un'ulteriore transizione di fase verso un liquido che aveva solo l'elevata trasparenza, conducibilità ionica e bassa viscosità che potrebbero avvantaggiare l'elettronica flessibile.
Le proteine degli albumi sono ricche di gruppi carbossilici, come Xing e i suoi collaboratori avevano osservato in precedenti ricerche. Quando si aggiunge una soluzione alcalina, questi formano ioni carbossilici, modificando le interazioni elettrostatiche in gioco tra le molecole in modo che si ridispongano e si reticolino, formando un gel stabile in soluzione alcalina diluita. Però, quando questo idrogel rimane immerso in un ambiente basico, comincia ad idrolizzare, che modifica nuovamente le strutture delle catene di amminoacidi, formando un liquido. "Per quello che ci risulta, siamo i primi a segnalare questo ruolo di Janus di soluzione alcalina, possedere volti di costruzione e distruzione, nell'intero processo di transizione liquido-solido-liquido dell'albume, "dice Xing.
Battere la concorrenza
Sia i compositi nanomateriali che i polimeri conduttivi sono limitati a una trasparenza di circa il 90%. Anche l'allungamento è un problema. I nanomateriali possono fornire percorsi conduttivi attraverso un materiale elastico che normalmente non è conduttore, ma sono inclini all'aggregazione, e l'allungamento del materiale può portare a interruzioni in questi percorsi. La combinazione di qualcosa come un polimero conduttivo con un elastomero elastico è problematica a causa delle discrepanze nelle proprietà del materiale, che porta a cambiamenti isteretici nel comportamento. Un'altra soluzione studiata dai ricercatori sono i liquidi metallici, dove la bassa viscosità previene problemi con disallineamenti meccanici, ma la loro trasparenza è ulteriormente limitata, a circa l'85%.
Xing, Feng Lu e i loro collaboratori dell'Università di Manitoba in Canada e della Southern Medical University in Cina hanno caratterizzato il liquido dell'albume che si è formato dall'idrogel e hanno misurato una trasparenza ultraelevata del 99,8%. Xing lo attribuisce all'alta percentuale (95%) della sostanza che è l'acqua, che è di per sé trasparente. La rete che poi contiene quest'acqua nell'idrogel è in parte riflettente, ma poiché questo collassa durante la transizione gel-sol, il liquido è ancora più trasparente dell'idrogel.
Il passaggio a un liquido aumenta anche la conduttività da 16,9 S m -1 a 20,4 S m -1 . L'idrogel più solido può essere facilmente stampato in 3D prima che si sciolga, che è conveniente quando si producono strutture ibride con elastomeri per dispositivi elettronici elastici. Quando il liquido è incapsulato in canali elastomerici, il materiale prodotto ha una resistività che aumenta con la deformazione al diminuire dell'area della sezione trasversale, e l'isteresi di questo materiale ibrido dopo ripetuti allungamenti e rilassamenti è di un impressionante 0,77%. "L'isteresi trascurabile è stata la grande sorpresa quando abbiamo adottato il liquido dell'albume come conduttore nell'elettronica indossabile, perché non è facile ottenere questo tipo di prestazioni con questo materiale e questo design semplici, "dice Xing.
I ricercatori hanno sfruttato queste proprietà elettroniche sensibili alla deformazione in una serie di dispositivi. Hanno dimostrato un cardiofrequenzimetro da polso in grado di determinare i dettagli più fini della funzione vascolare come l'indice di aumento radiale e il tempo di transito del polso. Hanno prodotto un'interfaccia utente console in grado di leggere le espressioni facciali e guidare una macchinina radiocomandata con un semplice movimento del polso. Finalmente, hanno incorporato il liquido bianco d'uovo e le strutture elastomeriche in dispositivi nanogeneratori triboelettrici che accendono un LED in risposta al battito delle mani. La ricerca futura si concentrerà sullo sviluppo del liquido dell'albume come materiale intelligente per la robotica morbida e i muscoli artificiali.
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