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可降解的电子皮肤!南工大团队研发鱼鳞制作的透过率高达91.1%的柔性光电子基材

可降解的电子皮肤!南工大团队研发鱼鳞制作的透过率高达91.1%的柔性光电子基材
可降解的电子皮肤!南工大团队研发鱼鳞制作的透过率高达91.1%的柔性光电子基材
随着塑料微粒和纳米颗粒对环境的破坏越来越明显,塑料薄膜在光电子器件,尤其在可降解穿戴电子产品的开发中,其影响逐渐引起了人们的关注。中国南京工业大学的一个研究团队提供一个可能的答案:使用鱼鳞材料制作可降解的薄膜基材。
 
“电子皮肤”

南京工业大学的这个团队主要针对一种特殊类型光电子产品——柔性交流电致发光器件(ACEL,Alternating-current electro-luminance)用透明塑料薄膜进行了研究。

ACEL器件由一张薄型可弯曲的透明基板和其上的布线和发光材料构成,目前的产品已经可以实现均匀发光,并具有一定的功率处理效率,另外这些产品产生的热量也较小。正是因为这些特性,这种器件对于可穿戴电子产品的开发非常有吸引力。开发人员甚至已经设想了许多可降解“电子皮肤”的一次性应用,例如可发光的临时纹身或一次性薄膜秒表,运动员可以在赛前在皮肤上制作这样的秒表,然后结束时轻松将其去除。
 
可持续性的危机

虽然这种显示技术使用起来非常方便,但是它同时也让很多人担忧。因为这些可穿戴显示器件的主要成分是一些薄而柔软的塑料基材,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚碳酸酯(PC)。在可持续性方面,这些材料的使用带来了烦恼:一方面,它们是由不可再生的化石燃料原料制成,其生产过程对全球的气候变化有重大影响。

另一方面,废弃的塑料本身也会以垃圾的形式进一步影响我们的生存环境。正如《地球物理研究杂志》近期评论所指出的那样,微塑料和纳米塑料对巨大的海洋“垃圾带”的形成起着重要作用。
 
被忽视的原材料

有鉴于此,研究人员四处寻找可用作电子皮肤应用替代的基板材料,这些材料对环境的影响必须非常小。目前,候选者包括树木中的纤维素和蚕丝蛋白,其中,纤维素的获取本身就不符合可持续性的考虑,而蚕丝蛋白则成本太高,无法用于一次性光电产品的大规模生产。
 
一个由南京工业大学于海东、刘举庆和黄维领导的团队则专注于另一种材料:鱼鳞中的明胶。研究人员认为,这种材料具有一些潜在的、优异的光电性能。更重要的是,其原材料供应不是问题。据论文作者说,这些不可食用的鱼鳞约占“每年7050万吨鱼产量的3%”。另一方面,鳞片明胶是可生物降解的,也就是说,这种材料废弃后,可以自然地融入环境中。
 
从鱼鳞到发光器件

为了验证这些想法,南京工业大学的团队首先对鱼鳞进行清洗和化学预处理,以制作前体溶液,然后研究人员将其放入培养皿中,并制成鱼鳞明胶薄膜。测试显示,该透明薄膜在可见光光谱范围内的透过率高达91.1%,这比目前常用的PET薄膜(透过率90.4%)还好。这种薄膜还显示出非常好的柔韧性,甚至可以可逆地折叠。研究人员发现,这种薄膜很容易回收利用(在60°C的水中几秒钟就可以溶解),另外也可以生物降解(在土壤中仅需24天就可以完全分解)。
 
接着,该研究小组将这种鱼鳞明胶膜用作几种发光器件的基材。他们先在这种鱼鳞明胶膜上涂布一层用作电极的银纳米线,然后通过旋涂的方式进一步制作含有发光材料的发射层,最后再在发射层上使用银纳米线制作另一电极层。研究小组发现,在施加交流电的情况下,即使经过一千次弯曲和松弛形式的循环,这种发光器件也还是能发出明亮的光且“发光强度没有明显下降”。
 
南京工业大学的研究人员得出结论,他们的方法“可以制作出更加环保的光电产品,且制作过程中不会产生有害的副产品和电子废物”。他们相信,以鱼鳞为原料的薄膜不仅在可穿戴技术领域而且在柔性显示器领域都有非常大的应用前景。