Recyclebare en flexibele zetmeel-ag-netwerken en de toepassing ervan in gewrichtssensoren

Resultaten en discussie

Voorbeeldmorfologieën

Figuur 1b is een schematische afbeelding van het verkregen SAN-monster, dat een goede flexibiliteit en transparantie laat zien. Het SEM-beeld van het metalen netwerk wordt getoond in figuur 1c, met een gemiddelde breedte en hoogte van de Ag-netwerken van respectievelijk 2,5 m en 1 m, en de afstand tussen de draden in het bereik van 30 tot 60 m. De inzet in figuur 1c geeft duidelijk de gedetailleerde morfologie van de metalen netwerken weer. De oppervlaktemorfologie van de SAN-film wordt getoond in figuur 1d, met de inzet van een dwarsdoorsnede, wat bewijst dat de Ag-netwerken met succes zijn ingebed in de zetmeelfilm en een gladde morfologie vertonen. Bovendien kan de hoogte van Ag-netwerken gemakkelijk worden gemoduleerd door de concentratie van de galvaniseervloeistof, het anodegebied en de afstand tussen een anode en kathode in het galvaniseerafzettingsproces [29] te veranderen, terwijl de breedte van de netwerken en de inter- ruimte kan worden gecontroleerd door het opofferingsmateriaal, de concentratie en de kraaktemperatuur te variëren, zoals gerapporteerd in ons vorige werk [30]. De kristalliniteit van SAN werd gekenmerkt door röntgendiffractie (XRD) (Fig. 1e), die de (200), (220) en (311) vlakken van Ag vertoont, en er werd geen onzuiverheid gedetecteerd. Atomic Force Microscopie (AFM) afbeeldingen in Fig. 1f, g bevestigden een ultraglad oppervlak met een extreem lage root-mean-square (RMS) ruwheid van ~ 0,521 nm.

Optische en mechanische prestaties

Afbeelding 2a toont de transmissie (T ) versus de plaatweerstand (R _s ) plots, waarbij de opto-elektronische eigenschappen van de SAN worden vergeleken met andere gerapporteerde TCE's [5, 6, 31,32,33,34,35,36] en een commerciële ITO-film (150 nm dik, Liaoning Huite Photoelectric Technology). Een cijfer van verdienste (F ), weergegeven als lijnen, wordt bepaald door de vergelijking in [37] aan te passen. Onze SAN vertoont zeer goede opto-elektronische eigenschappen met de hoge transparantie (82–93%) en lage plaatweerstand (0,2–1,0 Ωsq ⁻¹ , met F variërend van 3000 tot 10.000) op basis van verschillende kraaksjablonen [38]. Deze gegevens zijn aanzienlijk beter dan die van conventionele ITO en andere rooster-TCE's, wat kan worden toegeschreven aan de uitstekende kristalliniteit van Ag, de continue morfologie en de juiste netwerkstructuur. Afbeelding 2b toont optische transmissie van de SAN en ITO/PET (150 nm dik, Liaoning Huite Photoelectric Technology Co., Ltd.). Het is duidelijk dat de optische transmissie van de SAN (~  93%) veel hoger is dan die van ITO/PET (77~88%) in het gehele zichtbare spectrum.

Opto-elektronische eigenschappen van de metalen netwerken. een Optische transmissie van metalen netwerken als functie van plaatweerstand. b Doorlaatbaarheid versus golflengte van het SAN en een ITO/PET-monster

Recyclebaar

Zetmeel is niet alleen een groen materiaal en niet giftig voor mens of milieu, maar ook een biologisch afbreekbaar materiaal, en ook gemakkelijk te verwijderen door water [39]. Deze eigenschappen geven het SAN daarom een ​​recyclebaar materiaal, zoals geïllustreerd in figuur 3. Een stuk gebruikte SAN-film werd ondergedompeld in het water (figuur 3a), en 2  uur later was het grootste deel van het zetmeelsubstraat afgebroken en water in ondoorzichtige toestand veranderd. De verkregen vrijstaande Ag-netwerken werden gewassen met water om zetmeelresten te verwijderen en vervolgens overgebracht op een stuk van een ITO-glas en gedroogd in een droogdoos (figuur 3b). Afbeelding 3c toont SEM-afbeeldingen van de gerecyclede Ag-netwerken. Het is vermeldenswaard dat het recyclingproces de integriteit van de Ag-netwerken behoudt vanwege de zelfvoorzienende eigenschap, waardoor het proces recycleerbaar is en uiteindelijk de totale kosten en de milieu-impact worden verlaagd, in vergelijking met de TCE's op basis van de niet-afbreekbare en niet-recyclebare plastic substraten [5, 9, 40,41,42].

Recyclebaarheidstest van een SAN in water:a origineel en b na overdracht. c SEM-afbeeldingen van gerecyclede Ag-netwerken

Waarnemende prestaties van het SAN

De flexibiliteit van de SAN werd gekarakteriseerd onder buigen in vergelijking met een ITO/PET-monster. De R _s van ITO/PET aanzienlijk verhoogd (~ 35.000 Ω sq ⁻¹ ) binnen duizend buigcycli (Fig. 4a), terwijl de R _s van het SAN schommelt rond de 30 Ω sq ⁻¹ , met een uitstekende mechanische stabiliteit (Fig. 4a, b). Tegelijkertijd een periodieke fluctuatie van R _s werd waargenomen toen het SAN werd verbogen (van 24 tot 38 Ω sq ⁻¹ ) zoals weergegeven in de inzet van Fig. 4b, die suggestief is voor de mogelijke toepassing ervan op mechanische sensor [43,44,45,46,47]. Dienovereenkomstig werd een reeks eenvoudige gewrichtssensoren ontworpen en vervaardigd [48,49,50,51]. Het SAN met twee smalle zilverpasta-lijnen langs de randen om een ​​beter contact te geven, was ingeklemd tussen twee stukken PET-folie, die respectievelijk op het gewricht van nek, knie, elleboog en vinger waren bevestigd. De bewegingsafhankelijke respons van deze sensoren werd geregistreerd door een opstelling met twee sondes voor het meten van de weerstand. Toen de gewrichten zich in de buigfase bevonden, was de R _s van de sensor dienovereenkomstig veranderd, zoals aangetoond in Fig. 4c-f. Wanneer de SAN op verschillende delen van het lichaam onder trekspanning stond, varieerde het uitgangssignaal in een breed bereik:in de nek, R _s is ongeveer 20–30 Ω sq ⁻¹ (Fig. 4c), op knie 400–800 KΩ sq ⁻¹ (Fig. 4d), op elleboog 2-3 MΩ sq ⁻¹ (Fig. 4e), en op vinger 4–8 MΩ sq ⁻¹ (Fig. 4f). Deze verschillen houden mogelijk verband met de omvang van de beweging en geven aan dat de prestaties van de gezamenlijke SAN-sensor locatieafhankelijk zijn [52].

Demonstratie van flexibiliteit van de op SAN gebaseerde sensor. een Vergelijking van de plaatweerstand als functie van de buigtijd. b Een vergrote figuur van a; inzet toont de gedetailleerde variatie van de plaatweerstand van de SAN-sensor van 490 tot 550 s. c –f Karakterisering van sensoren die buigen op een ander deel van het menselijk lichaam:c nek, d knie, e elleboog, en f vinger. Inzetstukken:foto's van de sensoren die aan verschillende delen van het menselijk lichaam zijn bevestigd

Afbeelding 5 toont het werkingsmechanisme van de SAN-sensoren, met blauwe lijnen die het identieke gebied aangeven. Wanneer de buiging beperkt is tot 30 ^o , werd een subtiele scheur waargenomen zoals aangegeven door de rode rechthoek in Fig. 5a. Ondanks de moeilijkheid om een ​​goed scherp beeld te krijgen, toen de buighoek werd vergroot tot 90 ^o , werd de afstand van deze scheurspleet verder verbreed gevonden, evenals de verlenging ervan (figuur 5b). Het opnieuw afvlakkingsproces veroorzaakte echter het herstel van de scheurvorming die nauwelijks te zien was (figuur 5c). In de tussentijd herstelde de weerstand van het SAN bijna volledig naar zijn oorspronkelijke staat, zoals weergegeven in figuur 4a-d. Daarom wordt de periodieke variatie van weerstand tijdens het buigen toegeschreven aan de dynamische verandering van de Ag-netwerkverbinding.

Werkingsmechanisme van de SAN-sensor in verschillende stadia:a 30° buigen, b 90° buigen, en c buigen vrijgeven. Schaalbalken in cijfers zijn 50 μm