Redes de almidón-agricultura flexibles y reciclables y su aplicación en el sensor de juntas

Resultados y discusión

Morfologías de muestra

La Figura 1b es una figura esquemática de la muestra de SAN obtenida, mostrando una buena flexibilidad y transparencia. La imagen SEM de la red metálica se muestra en la Fig. 1c, con un ancho y alto promedio de las redes Ag de 2,5 μm y 1 μm respectivamente, y el espaciado entre hilos en el rango de 30 a 60 μm. El recuadro de la Fig. 1c muestra claramente la morfología detallada de las redes metálicas. La morfología de la superficie de la película SAN se muestra en la Fig. 1d, con el recuadro de la imagen de la sección transversal, lo que demuestra que las redes de Ag se han incrustado con éxito en la película de almidón y exhiben una morfología suave. Además, la altura de las redes de Ag podría modularse fácilmente cambiando la concentración del líquido de galvanoplastia, el área del ánodo y la distancia entre un ánodo y un cátodo en el proceso de deposición de galvanoplastia [29], mientras que el ancho de las redes y el inter- el espacio se puede controlar variando el material de sacrificio, la concentración y la temperatura de agrietamiento, como se informó en nuestro trabajo anterior [30]. La cristalinidad de SAN se caracterizó por difracción de rayos X (XRD) (Fig. 1e), que exhibe los planos (200), (220) y (311) de Ag, y no se detectó impureza. Las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) en la Fig. 1f, g confirmaron una superficie ultra suave con una rugosidad de raíz cuadrada media (RMS) extremadamente baja de ~ 0.521 nm.

Rendimiento óptico y mecánico

La figura 2a muestra la transmitancia ( T ) frente a la resistencia de la hoja ( R _s ), comparando las propiedades optoelectrónicas de la SAN con otras TCE notificadas [5, 6, 31,32,33,34,35,36] y una película ITO comercial (150 nm de espesor, tecnología fotoeléctrica Liaoning Huite). Una figura de mérito ( F ), que se muestra como líneas, se determina ajustando la ecuación en [37]. Nuestra SAN muestra muy buenas propiedades optoelectrónicas con alta transparencia (82–93%) y baja resistencia de la hoja (0.2–1.0 Ωsq ⁻¹ , con F que van desde 3000 a 10,000) sobre la base de diferentes plantillas de craqueo [38]. Estos datos son significativamente mejores que los de ITO convencional y otros TCE de rejilla, lo que podría atribuirse a la excelente cristalinidad de Ag, la morfología continua y la estructura de red adecuada. La Figura 2b muestra la transmitancia óptica de SAN e ITO / PET (150 nm de espesor, Liaoning Huite Photoelectric Technology Co., Ltd.). Está claro que la transmitancia óptica de SAN (~ 93%) es mucho más alta que la de ITO / PET (77 ~ 88%) en todo el espectro visible.

Propiedades optoelectrónicas de las redes metálicas. un Transmitancia óptica de redes metálicas en función de la resistencia de la hoja. b Transmitancia versus longitud de onda de la SAN y una muestra de ITO / PET

Reciclable

El almidón no solo es un material verde y no tóxico para los seres humanos o el medio ambiente, sino también un material biodegradable, que se elimina fácilmente con el agua [39]. Estas propiedades, por lo tanto, otorgan al SAN un material reciclable como se ilustra en la Fig. 3. Se sumergió un trozo de película de SAN usada en el agua (Fig. 3a), y 2 h más tarde, la mayor parte del sustrato de almidón se degradó y el agua convertido en estado opaco. Las redes de Ag independientes obtenidas se lavaron con agua para eliminar el almidón residual y luego se transfirieron a un trozo de vidrio ITO y se secaron en una caja de secado (Fig. 3b). La Figura 3c muestra imágenes SEM de las redes de Ag recicladas. Cabe mencionar que el proceso de reciclaje mantiene la integridad de las redes Ag por su propiedad autoportante, brindando la reciclabilidad del proceso y finalmente reduciendo el costo general y el impacto ambiental, comparado con las ECT basadas en los no degradables. y sustratos plásticos no reciclables [5, 9, 40,41,42].

Prueba de reciclabilidad de un SAN en agua: a original y b después de la transferencia. c Imágenes SEM de redes agrícolas recicladas

Rendimiento de detección de SAN

La flexibilidad del SAN se caracterizó bajo flexión en comparación con una muestra ITO / PET. La R _s de ITO / PET aumentó significativamente (~ 35,000 Ω sq ⁻¹ ) dentro de mil ciclos de flexión (Fig. 4a), mientras que la R _s de la SAN fluctúa alrededor de 30 Ω sq ⁻¹ , mostrando una excelente estabilidad mecánica (Fig. 4a, b). Simultáneamente, una fluctuación periódica de R _s se observó cuando la SAN se dobló (de 24 a 38 Ω sq ⁻¹ ) como se muestra en el recuadro de la Fig. 4b, lo que sugiere su posible aplicación en un sensor mecánico [43, 44, 45, 46, 47]. En consecuencia, se diseñaron y fabricaron una serie de sensores de juntas simples [48,49,50,51]. El SAN con dos líneas estrechas de pasta de plata a lo largo de los bordes para dar un mejor contacto se intercaló entre dos piezas de películas de PET, que se unieron a la articulación del cuello, la rodilla, el codo y el dedo, respectivamente. La respuesta dependiente del movimiento de estos sensores se registró mediante una configuración de medición de resistencia de dos sondas. Cuando las juntas estaban en la etapa de flexión, la R _s del sensor cambió correspondientemente como se muestra en la Fig. 4c – f. Cuando el SAN estaba bajo tensión de tracción en diferentes partes del cuerpo, la señal de salida variaba en un amplio rango:en el cuello, R _s es de aproximadamente 20-30 Ω sq ⁻¹ (Fig. 4c), en la rodilla 400-800 KΩ sq ⁻¹ (Fig. 4d), en el codo 2-3 MΩ sq ⁻¹ (Fig. 4e), y en el dedo 4–8 MΩ sq ⁻¹ (Figura 4f). Estas diferencias posiblemente estén asociadas con la magnitud del movimiento e indican que el rendimiento del sensor SAN conjunto depende de la ubicación [52].

Demostración de flexibilidad del sensor basado en SAN. un Comparación de la resistencia de la hoja en función del tiempo de plegado. b Una figura ampliada de a ; El recuadro muestra la variación detallada de la resistencia de la hoja del sensor SAN de 490 a 550 s. c - f Caracterización de sensores que se doblan en diferentes partes del cuerpo humano: c cuello, d rodilla, e codo y f dedo. Recuadros:fotografías de los sensores conectados a diferentes partes del cuerpo humano

La Figura 5 muestra el mecanismo de funcionamiento de los sensores SAN, con líneas azules que ubican el área idéntica. Cuando la flexión se limita a 30 ^o , se observó un agrietamiento sutil como lo indica el rectángulo rojo en la Fig. 5a. A pesar de la dificultad para obtener una imagen bien enfocada, cuando el ángulo de flexión aumentó a 90 ^o , la distancia de esta hendidura de agrietamiento se ensanchó aún más, así como su alargamiento (Fig. 5b). El proceso de re-aplanamiento, sin embargo, indujo la recuperación del agrietamiento que apenas se podía ver (Fig. 5c). Mientras tanto, la resistencia del SAN se recuperó casi por completo a su estado inicial, como se muestra en la Fig. 4a – d. Por lo tanto, la variación periódica de la resistencia durante la flexión se atribuye al cambio dinámico de la conexión de red Ag.

Mecanismo de trabajo del sensor SAN en diferentes etapas: a Doblado de 30 °, b Flexión de 90 ° y c liberación de flexión. Las barras de escala en las cifras son 50 μm