新型可持续电子产品：3D 打印可生物降解的传感器和显示器

2023年7月9日，南极熊获悉，位于瑞士迪本多夫的 Empa 纤维素和木质材料实验室的研究人员取得了重大突破，他们开发了一种性能卓越的3D打印材料。这种材料具有可3D 打印特性、生物降解性、变色性和导电性。通过将纤维素和碳纳米管结合起来，该团队为可持续传感器和显示器的发展带来了新的机遇。

△当天气变暖时，打印的 Empa 徽标会变色。（图片来源：Empa）

科学家们开始使用羟丙基纤维素（HPC）进行实验，羟丙基纤维素是药品和食品中常用的物质，与水混合时会形成液晶。这些晶体具有令人惊奇的特性：不同结构（由 HPC 的浓度等决定）的晶体会闪烁不同的颜色，尽管它们不含颜色或颜料。这种现象被称为结构着色，这是在自然界中很常见的现象。例如，孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和变色龙皮肤的绚丽色彩不是来自颜料，而是来自微观结构，这些结构将（白色）日光“分裂”成光谱颜色，并仅反射特定颜色的波长。

△自然界中的结构着色案例

HPC 的结构色随温度和浓度的变化而变化。为了更好地利用这一特性来控制颜色变化，研究人员在 Gustav Nyström 的指导下将碳纳米管（0.1wt%）引入 HPC-水混合物中。这使得液体变得导电，从而可以通过施加电压来控制温度，从而控制液晶的颜色。作为额外的好处，碳可以充当宽带吸收器，加深颜色。Nyström 的团队还能够通过在混合物中加入少量纤维素纳米纤维使其可 3D 打印，而不影响结构着色或导电性。

研究人员使用新型纤维素混合物 3D 打印了新技术的许多潜在应用。其中包括根据机械变形而改变颜色的应变传感器和简单的七段显示器。

△当施加电压时，打印的导电部分会改变颜色。（图片来源：Empa）

为了确保该材料与 3D 打印技术的兼容性，同时保留其结构着色和导电性，研究人员将纤维素纳米纤维纳入混合物中。这一突破为创建可生物降解的电子产品铺平了道路，包括根据机械变形而改变颜色的应变传感器和基本的七段显示器。

这项研究的合著者 Xavier Aeby 对这种纤维素墨水的潜在应用表示了很大的兴趣，并设想将其用于食品质量控制和生物医学诊断。由于对结构着色的生成及其对不同环境条件和添加剂的响应的迷恋，该团队旨在进一步深入研究这一领域。

可持续和 3D 打印材料的开发为可生物降解电子产品和不断扩大的物联网领域带来了巨大的希望。未来，纤维素墨水可能会用于多种应用，包括温度和应变传感器、食品质量控制和生物医学诊断。通过不断探索，Empa 的研究人员努力发现新的迷人现象，并发现这项突破性技术的其他潜在应用。

“我们的实验室已经开发了不同的基于纤维素的一次性电子元件，例如电池和传感器。这是我们第一次能够开发基于纤维素的显示器。”

——XavierAeby，Empa 研究合著者

“可 3D 打印的可持续材料引起了人们的极大兴趣，特别是对于可生物降解电子产品和物联网中的应用。关于结构着色是如何产生的以及它如何随着不同的添加剂和环境条件而变化，仍然存在许多悬而未决的问题。”

——古斯塔夫·尼斯特伦，Empa