基於植物葉片骨架分形結構的可生物降解的柔性透明加熱器用於熱療貼片
坦佩雷大學的研究人員團隊從植物葉片開發了一種可生物降解的,透明的,柔性的和速效的熱療貼劑。該電子貼片與靈活的電子應用程式兼容。植物材料被用來減少電子廢物的數量。
該研究發表在npj Flex Electronics上,("Flexible biodegradable transparent heaters based on fractal-like leaf skeletons")。
研究人員使用了菩提樹(Ficus religiosa)的葉子。葉子的葉脈具有分形圖案,使表面高度柔韌性和可剪切性。銀納米線附著在葉片骨架上,表面包裹在可生物降解的透明膠帶中。
來自植物葉片的可生物降解,透明,柔性和快速作用的熱療貼片。該電子貼片與靈活的電子應用程式兼容。
透明電阻膜加熱器具有在除霧/應用除霜,可穿戴設備的工業熱系統等等。在可穿戴設備中,薄膜加熱器已用於熱療墊,傳感器,熱致變色顯示器和微流控晶片。在骨科中,醫用熱療墊通常用於減輕疼痛,改善血液循環並減輕人體發炎。這些也可用於治療各種關節炎(例如,風溼性關節炎和肩關節周圍關節炎),關節僵硬,頸椎病,和身體傷害。
在骨科中,醫用熱療墊通常用於減輕疼痛,改善血液循環和減少炎症。它們還用於治療關節炎,關節僵硬,頸椎病和身體傷害。而傳統的熱療墊會引起灼傷,主要發生在使用加熱墊入睡的人或對熱量不太敏感的老年人中。問題的一部分是商業加熱墊不透明,用戶無法看到他們的皮膚對治療有何反應。
而天然材料中存在的分層體系結構可以作為指導來解決材料和工程技術的局限性。近日,靈感來自大自然的分形樣結構已被納入工程應用。這些應用包括太陽能電池,天線設計,組織工程,光電和熱傳遞。從數學上講,分形是在所有長度尺度上都看起來相似的結構,並且在自然界中可以大量發現類似分形的結構。在雪花和葉脈中可以看到不同類型的分形結構,範圍從納米級到宏觀級。這些分形結構可以顯示出幾乎完美的自相似性,每個重複的子結構都類似於整個結構。已知分形設計可提供最佳的表面覆蓋率,改善的穩定性,有效的離子傳輸。獨特的設計還有助於有效地收集電能和熱能。
本研究提出的一種基於生物形,高度靈活且透明的加熱器,該加熱器基於分形的葉片骨架和Ag納米線,並展示了其作為可穿戴熱療貼片的用途。分形結構也使加熱器具有柔韌性和可剪切性,因此可用於可穿戴設備。基於分形的設計在柔性電子學領域中也是有利的,因為通過在微尺度上最大化表面積,或更具體地說,通過簡單的縮放來最大化表面積與體積之比,克服了常規平面設計的局限性。加熱器的大表面積使熱量非常有效地傳遞到周圍環境,從而縮短了響應時間並防止了元件過熱。我們通過將生物啟發式加熱器安裝在皮膚表面上來展示其作為熱療貼片的潛力。這項研究的見識可能有助於將自然界中的分形結構重新用作電子應用的低成本,高表面積結構。
製造和一般形態
一個一個的仿生熱療電子貼片的製造示意圖。b,c納米銀塗層骨架的SEM圖像。d最終組裝的受生物啟發的熱療貼片。e受生物啟發的熱療貼片的紅外熱像儀圖像。b和c中的比例尺分別為500和10μm。
生物啟發電極的加熱特性
對於200μgcm -2的Ag納米線負載,生物啟發式加熱器電極在逐步電壓下的瞬態溫度演變從2 V升高到6.5V 。b最高,最低和平均溫度以及相應的紅外熱像儀圖像。c在4.5 V時具有不同薄層電阻的隨時間變化的表面溫度。d在不同電壓下的加熱循環中的溫度響應。e受生物啟發的加熱器電極彎曲時溫度的變化。插圖顯示了彎曲時相應電阻值的變化,誤差線顯示了根據三個獨立測量值計算出的標準偏差。F當在X軸,Y軸和彎曲位置彎曲時,用作電路導體的生物啟發式加熱器電極的數碼照片及其相應的紅外照相機圖像。Ag納米線負載為200μgcm -2,施加的偏壓為3V。
使用中的熱療貼片的數字和紅外照片
在正常,向內和向外彎曲的情況下,粘貼在人手腕上的仿生熱療貼片的溫度分布圖。b,c貼片分別貼在肘窩區域和肘部。
總結:
使用葉片骨架和Ag納米線製造了靈活,透明,響應時間快的生物啟發加熱器。加熱器的特性歸因於葉片骨架的分形幾何形狀。Ag納米線由於在表面上的Ag離子塗層而共形地附著於分形結構。高表面積可在非常快的響應時間(約5 s)內有效加熱。這種響應時間在基於Ag納米線的透明薄膜加熱器中目前應該是比較快的。該加熱器在超柔性和透明熱療貼片的製造中得到了證明。由於受生物啟發的熱療貼片完全由植物基材料製成,因此可以幫助減少碳足跡和電子廢物。與其他需要複雜且昂貴的製造程序的透明加熱器相比,用於製造生物啟發性熱療貼片的總體材料具有環保,經濟,易取和易於製造的特點。
"電子廢物是全球範圍內日益嚴重的環境問題。生物結構和材料的使用可以幫助設計下一代柔性電子設備,同時解決電子垃圾問題。"芬蘭科學院任命的博士後研究員Vipul Sharma說。
應用展望
電子設備,尤其是柔性電子設備,越來越多地集成到醫療設備,紡織品,健康追蹤器和其他可攜式設備中。該概念還可以應用於各種應用,例如除霧/除霜,可穿戴設備,工業加熱系統,傳感器,熱致變色顯示器和微流體晶片。