2020-06-30文献小结-组内动态-仿生智能材料研究组  
2020-06-30文献小结 组内汇报
wangzengbin 3月前 346

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  • lvll 3月前
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  • wangzengbin 3月前
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    近期蚕丝纳米纤维发电及传感研究进展

    随着科学技术的迅猛发展,高性能的高分子材料在材料、物理、生物、医学和化学等各个领域展现出巨大的研究价值和经济效益。面临全球能源危机和资源的严重匮乏,人们对可持续资源的利用和开发越来越大,同时蚕丝因为它来源广泛、价格低廉并且具有优异的力学性能[1]一直备受科学家们的关注和青睐,通过一系列的机理研究和技术探讨,在生物医学[2]、纳米模板[3]、光学和电子应用[4,5]、和环境应用[6]等硕果累累,做出了一些列杰出的科研成果。近期,科学家们又借助它们通过自身或者与其他材料复合进行电能的产生或者传感,既环保又增加能源的产出,并在这些方面陆续取得了一系列的进展:

    刘洋等人[7]将绝缘丝素蛋白材料转变为导电材料,获得基于蚕丝纤维蛋白网络的碳纳米管(CNT)模板重组的再生家蚕丝纤蛋白(SF)材料的导电生物相容性纤维。重组的纤维的电导率可以通过掺入CNT的密度来改变,使有机碳基杂化纤维的电导率最高,是同类材料的8倍。此外,丝绸-碳纳米管介观混合材料还实现了一些新功能,即湿度响应电导率,同时作为用于压力和电响应湿度传感的生物相容性电子功能纤维材料的一种类型,该材料在文章中被进一步制造为智能面罩,以实现呼吸状态监测,并且进行远程诊断和药物治疗。

    江雷院士团队[8]采用丝素蛋白来制造具有出色机械性能的超薄膜进行盐差发电。这种SF膜可以根据其电荷极性有效地筛选通过的离子,因此阳离子从高浓度侧流向低浓度侧的净流量会导致净渗透电流。这种厚度为每层10 nm的膜表现出低电阻和高离子通量,可实现高达21.66 W / m2的最高渗透能转化水平。通过筛选膜的厚度,发现最佳值约为100 nm,以及对电解液的浓度、电导率、pH、两侧浓度差做了一系列的实验分析,以最大化渗透率并与数值模拟支持的有效选择性一致。因此,该系统为设计高性能能量转换发生器提供了范例。

    张山等人[9]制备了一组灵活,可拉伸,可穿戴的导电丝素蛋白水凝胶(CSFH),具有良好的机械坚固性和顺应性,这种可植入和可降解的机械传感器具有出色的生物相容性、远距离触发以及出色的传感性能。它可以检测多种机械信号,例如压力、应变和弯曲角度。此外,结合载有药物的基于丝绸的微针阵列,在啮齿动物中,传感器设备被证明对于癫痫的实时监测和原位治疗具有很好效果。这些传感器在健康监测、可穿戴设备以及慢性临床疾病的原位治疗中提供了潜在的应用。

    清华大学张莹莹课题组[10]采用源于蚕茧的天然蛋白——丝胶蛋白(Silk Sericin)辅助碳纳米管(CNT)的分散,制备了完全没有其它人工合成化学添加剂的碳纳米管墨水(SSCNT ink),该墨水呈现良好的稳定性和生物相容性。进一步的,利用该墨水,可以通过喷墨打印、丝网印刷、浸染等方法在柔性衬底上(如纸张、织物等)制备柔性电子器件。展示了它们在人体健康信息采集中的性能,证明了丝胶蛋白-碳纳米管墨水在柔性可穿戴领域的应用潜力。

    东华大学张耀鹏团队[11]采用另一种体系(次氯酸钠/溴化钠/TEMPO),再次从蚕丝中剥离出厚度约0.4纳米的单分子层纳米丝带,并将其作为基元,构筑了全丝素基生物纳米摩擦发电机。在最大电压,电流和功率密度(PD)下的输出性能分别达到41.64 V0.5μA86.7 mW/m2TENG的寿命取决于RSFF封装的后处理过程。该TENG在体外是完全可生物降解和生物相容的,具有高灵敏度和发电能力,是植入式自供电电子设备(例如起搏器和植入式传感器)的一种有吸引力的电源设备。

    参考文献:

    [1] Tseng P, Napier B, Zhao S, et al. Directed assembly of bio-inspired hierarchical materials with controlled nanofibrillar architectures[J]. Nature Nanotechnology, 2017,12,474–480.

    [2] Wu H, Liu S, Xiao L, et al. Injectable and pH-Responsive Silk Nanofiber Hydrogels for Sustained Anticancer Drug Delivery[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 27, 17118–17126.

    [3] Danks A, Hall S, Schnepp Z. The evolution of 'sol-gel' chemistry as a technique for materials synthesis[J]. Materials Horizons, 2016,3, 91-112.

    [4] Lv L, Han X, Zong L, et al. Biomimetic Hybridization of Kevlar into Silk Fibroin: Nanofibrous Strategy for Improved Mechanic Properties of Flexible Composites and Filtration Membranes[J]. Acs Nano, 2017, 11, 8178-8184.

    [5] Ling S, Li C, Jin K, et al. Liquid Exfoliated Natural Silk Nanofibrils: Applications in Optical and Electrical Devices[J]. Advanced Materials, 2016, 28, 7783-7790.

    [6] Ling S, Li, Adamcik J, et al. Modulating materials by orthogonally oriented -strands: composites of amyloid and silk fibroin fibrils. [J]. Advanced Materials, 2014, 26, 4569–4574.

    [7] Ma L, Liu Q, Wu R, et al. From Molecular Reconstruction of Mesoscopic Functional Conductive Silk Fibrous Materials to Remote Respiration Monitoring[J]. Small, 2020, 2000203.

    [8] Chen J, Xin W, Kong X Y, et al. Ultrathin and Robust Silk Fibroin Membrane for High-Performance Osmotic Energy Conversion[J]. ACS Energy Letters, 2020, 5, 742-748.

    [9] Zhang S, Zhou Z, Zhong J, et al. Bodyntegrated, Enzymeriggered Degradable, Silkased Mechanical Sensors for Customized Health/Fitness Monitoring and In Situ Treatment[J]. Advanced science, 2020, 1903802.

    [10] Liang X, Li H, Dou J, et al. Stable and Biocompatible Carbon Nanotube Ink Mediated by Silk Protein for Printed Electronics[J]. Advanced Materials, 2020, 2000165.

    [11] Niu Q, Huang L, Lv S, et al. Pulse-driven bio-triboelectric nanogenerator based on silk nanoribbons. Nano Energy, 2020, 74, 104837.


  • lixk 3月前
    引用 6

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  • hanxiao 3月前
    引用 7

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    最后于 2月前 被hanxiao编辑 ,原因:
    • 仿生智能材料研究组
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