Гибкая электроника с использованием нанотехнологий на основе древесины
Совсем недавно наноцеллюлоза из дерева – наноматериал, полученный в результате разрушения древесных волокон до наноразмеров – нашла дополнительные применения, такие как усилители прочности в бумаге и биокомпозитах, барьеры для упаковки, эмульгаторы, в отделении масла, подложки для печатной электроники, фильтрация и биомедицина.
Древесные нанотехнологии
«Древесные нанотехнологии связаны не только с извлечением и использованием наноцеллюлозы или лигнина, но также с адаптацией и функционализацией иерархической наноструктуры массивной древесины для функциональных материалов», – сказал Цилианг Фу, специалист по древесине и волокнам в Scion, исследовательском институте правительства Новой Зеландии. «В наших последних исследованиях мы используем нисходящий подход с мягкой химической обработкой, которая позволяет сохранить сложную структуру и исходную ориентацию целлюлозных волокон. За счет сохранения деревянных конструкций достигается высокослойный целлюлозный материал с превосходной прочностью».
Подписывайтесь на наш youtube канал!
В недавнем отчете ACS Nano («Гибкая электроника на основе дерева»), написанном Фу, подробно описывается метод получения гибкой электронной схемы на основе древесины, полностью основанной на биологии и окружающей среде.
В этой работе команда Scion разработала наноструктуру древесины для создания древесной пленки с высокой прозрачностью, гибкостью и сильными механическими свойствами. По словам исследователей, этот материал выгодно отличается от ранее полученных двумерных материалов на основе целлюлозы, разработанных для электроники или структурных применений.
Гибкая электроника с использованием нанотехнологий на основе древесины
Эта гибкая схема подчеркивает тот факт, что древесина может быть использована в качестве сырья, что может вытеснить материал на основе нефти для получения ценных продуктов.
Основное различие между этой схемой и другими схемами на основе наноцеллюлозы заключается в том, что подложка и проводящие элементы и полученны с помощью древесиной нанотехнологии.
Исследователи изобрели электроформовочный лигнин, побочный продукт переработки древесины с высоким содержанием углерода, а затем превратили его в проводящие углеродные волокна.
Используя преимущества сильных адгезионных свойств амилоидных фибрилл, команда разработала полностью биоразлагаемые и возобновляемые проводящие чернила из углеродного волокна на основе амилоида/лигнина и напечатала их на прозрачной подложке из древесной пленки для создания электронной схемы.
«Наша работа демонстрирует возможность создания схемы на основе древесины с синергетическим сочетанием прозрачной гибкой подложки из древесной пленки и проводящих чернил из углеродного волокна на основе лигнина», – подчеркивает Фу.
Прозрачная древесина – это новая область исследований, которая в основном продвигается лабораторией Ларса Берглунда и лабораторией Лянбинга Ху из Университети Мэриленда.
Однако наиболее прозрачная древесина требует пропитки полимером на нефтяной основе (эпоксидной смолой или ПММА) после делигнификации. Эта обработка делает весь продукт не биоразлагаемым и механически хрупким.
Доктор Фу защитил докторскую диссертацию в группе профессора Берглунда, во время которой он вел исследование прозрачной древесины. Однажды он заметил, что образец тонкого делигнифицированного деревянного шпона, который хранился в химическом стакане и высушивался в условиях окружающей среды, стал прозрачным и гибким.
Это наблюдение было временно отложено. Тем не менее, он всегда понимал, что это наблюдение имеет большой потенциал. Поэтому, получив свою новую должность исследователя в Scion, он создал лабораторию для производства высококачественных, высокопрозрачных и гибких прочных древесных пленок. Он быстро усовершенствовал методы делигнификации и сжатия для получения образцов с высокой прочностью на разрыв и очень гладкой поверхностью.
При изготовлении первой полностью гибкой электроники на основе дерева Фу и его команда продемонстрировали прототип схемы и датчик деформации для испытаний на изгиб в качестве подтверждения концепции. Однако гибкая электроника на основе дерева может использоваться во многих других областях, таких как носимые устройства, интеллектуальная упаковка и датчики. Он также имеет большие потенциальные возможности в разработке устройств накопления энергии, таких как гибкие батареи и суперконденсаторы.
Гибкая электроника с использованием нанотехнологий на основе древесины
Благодаря своей механической гибкости и полной биосовместимости этот тип электроники идеально приспособлен для интеграции в упаковку пищевых продуктов для отслеживания условий окружающей среды.
Другое применение может быть в одноразовых цепях. Все больше медицинских приложений и организаций, проводящих мероприятия, используют небольшие электронные схемы в течение определенного времени (например, в качестве устройства для краткосрочного мониторинга или входного билета).
«В настоящее время наша главная забота – чувствительность к воде субстрата и восприимчивость к силам сдвига, перпендикулярным направлению волокон», – отмечает Фу. «Однако сейчас мы решаем вопрос о чувствительности пленки к влаге. Мы также изучаем возможность производства экологически чистого (биоразлагаемого) древесного композита с высокой гидрофобностью».
Он добавляет, что электрические характеристики гибкой электроники на основе дерева также нуждаются в улучшении по сравнению с проводящими чернилами на основе графена. Команда ищет варианты последующей обработки для улучшения электрических свойств.
В настоящее время они в основном сосредоточены на разработке новых приложений путем улучшения вышеупомянутых слабых мест и добавления новых функций, таких как свечение и гидрофобность, к прозрачной подложке из древесной пленки.
Кроме того, реология рецептуры чернил адаптируется к различным типам принтеров за счет улучшения ее адгезивности, усиления механической прочности и повышения электрической проводимости самих углеродных чернил, полученных из лигнина.
«Мы уже изучаем возможности для расширения нашего процесса и используем непрерывный метод производства подложки, например, с использованием системы рулонной печати», – заключает Фу. «Существует большой интерес к разработке этой технологии для производства прозрачной подложки из древесной пленки с использованием разнообразных пород древесины. Scion изучает возможность коммерциализации этих био-чернил».
Совсем недавно наноцеллюлоза из дерева – наноматериал, полученный в результате разрушения древесных волокон до наноразмеров – нашла дополнительные применения, такие как усилители прочности в бумаге и биокомпозитах, барьеры для упаковки, эмульгаторы, в отделении масла, подложки для печатной электроники, фильтрация и биомедицина.
«Древесные нанотехнологии связаны не только с извлечением и использованием наноцеллюлозы или лигнина, но также с адаптацией и функционализацией иерархической наноструктуры массивной древесины для функциональных материалов», – сказал Цилианг Фу, специалист по древесине и волокнам в Scion, исследовательском институте правительства Новой Зеландии. «В наших последних исследованиях мы используем нисходящий подход с мягкой химической обработкой, которая позволяет сохранить сложную структуру и исходную ориентацию целлюлозных волокон. За счет сохранения деревянных конструкций достигается высокослойный целлюлозный материал с превосходной прочностью».
В недавнем отчете ACS Nano («Гибкая электроника на основе дерева»), написанном Фу, подробно описывается метод получения гибкой электронной схемы на основе древесины, полностью основанной на биологии и окружающей среде.
В этой работе команда Scion разработала наноструктуру древесины для создания древесной пленки с высокой прозрачностью, гибкостью и сильными механическими свойствами. По словам исследователей, этот материал выгодно отличается от ранее полученных двумерных материалов на основе целлюлозы, разработанных для электроники или структурных применений.
Эта гибкая схема подчеркивает тот факт, что древесина может быть использована в качестве сырья, что может вытеснить материал на основе нефти для получения ценных продуктов.
Основное различие между этой схемой и другими схемами на основе наноцеллюлозы заключается в том, что подложка и проводящие элементы и полученны с помощью древесиной нанотехнологии.
Исследователи изобрели электроформовочный лигнин, побочный продукт переработки древесины с высоким содержанием углерода, а затем превратили его в проводящие углеродные волокна.
Используя преимущества сильных адгезионных свойств амилоидных фибрилл, команда разработала полностью биоразлагаемые и возобновляемые проводящие чернила из углеродного волокна на основе амилоида/лигнина и напечатала их на прозрачной подложке из древесной пленки для создания электронной схемы.
«Наша работа демонстрирует возможность создания схемы на основе древесины с синергетическим сочетанием прозрачной гибкой подложки из древесной пленки и проводящих чернил из углеродного волокна на основе лигнина», – подчеркивает Фу.
Прозрачная древесина – это новая область исследований, которая в основном продвигается лабораторией Ларса Берглунда и лабораторией Лянбинга Ху из Университети Мэриленда.
Однако наиболее прозрачная древесина требует пропитки полимером на нефтяной основе (эпоксидной смолой или ПММА) после делигнификации. Эта обработка делает весь продукт не биоразлагаемым и механически хрупким.
Доктор Фу защитил докторскую диссертацию в группе профессора Берглунда, во время которой он вел исследование прозрачной древесины. Однажды он заметил, что образец тонкого делигнифицированного деревянного шпона, который хранился в химическом стакане и высушивался в условиях окружающей среды, стал прозрачным и гибким.
Это наблюдение было временно отложено. Тем не менее, он всегда понимал, что это наблюдение имеет большой потенциал. Поэтому, получив свою новую должность исследователя в Scion, он создал лабораторию для производства высококачественных, высокопрозрачных и гибких прочных древесных пленок. Он быстро усовершенствовал методы делигнификации и сжатия для получения образцов с высокой прочностью на разрыв и очень гладкой поверхностью.
При изготовлении первой полностью гибкой электроники на основе дерева Фу и его команда продемонстрировали прототип схемы и датчик деформации для испытаний на изгиб в качестве подтверждения концепции. Однако гибкая электроника на основе дерева может использоваться во многих других областях, таких как носимые устройства, интеллектуальная упаковка и датчики. Он также имеет большие потенциальные возможности в разработке устройств накопления энергии, таких как гибкие батареи и суперконденсаторы.
Благодаря своей механической гибкости и полной биосовместимости этот тип электроники идеально приспособлен для интеграции в упаковку пищевых продуктов для отслеживания условий окружающей среды.
Другое применение может быть в одноразовых цепях. Все больше медицинских приложений и организаций, проводящих мероприятия, используют небольшие электронные схемы в течение определенного времени (например, в качестве устройства для краткосрочного мониторинга или входного билета).
«В настоящее время наша главная забота – чувствительность к воде субстрата и восприимчивость к силам сдвига, перпендикулярным направлению волокон», – отмечает Фу. «Однако сейчас мы решаем вопрос о чувствительности пленки к влаге. Мы также изучаем возможность производства экологически чистого (биоразлагаемого) древесного композита с высокой гидрофобностью».
Он добавляет, что электрические характеристики гибкой электроники на основе дерева также нуждаются в улучшении по сравнению с проводящими чернилами на основе графена. Команда ищет варианты последующей обработки для улучшения электрических свойств.
В настоящее время они в основном сосредоточены на разработке новых приложений путем улучшения вышеупомянутых слабых мест и добавления новых функций, таких как свечение и гидрофобность, к прозрачной подложке из древесной пленки.
Кроме того, реология рецептуры чернил адаптируется к различным типам принтеров за счет улучшения ее адгезивности, усиления механической прочности и повышения электрической проводимости самих углеродных чернил, полученных из лигнина.
«Мы уже изучаем возможности для расширения нашего процесса и используем непрерывный метод производства подложки, например, с использованием системы рулонной печати», – заключает Фу. «Существует большой интерес к разработке этой технологии для производства прозрачной подложки из древесной пленки с использованием разнообразных пород древесины. Scion изучает возможность коммерциализации этих био-чернил».
https://econet.ru/articles/gibkaya-elektronika-s-ispolzovaniem-nanotehnologiy-na-osnove-drevesiny
25.03.2020