​變廢為寶!黃維院士團隊《ACS Nano》:用刮下來的魚鱗做柔性電致發光器件!

在過去的幾十年裡,各種電致發光器件,特別是柔性的電致發光器件被廣泛應用於平板顯示、大型裝飾、標志顯示照明、光學信號等領域。交流電流型電致發光器件(ACEL),與直流發光器件相比,具有功耗低、發光均勻、制作方便等優點。並且其能量轉換效率非常高,產生的熱量也少得多,使得其有望集成到可穿戴電子設備(如電子皮膚)中。

為瞭實現可穿戴電子設備需求,柔性ACEL器件的制備需要開發柔性、透明的基底,並與發光材料集成。目前大多數電致發光器件和電子顯示屏使用表面光滑、光學透明度高的塑料作為柔性襯底。但隨著塑料的廣泛使用,大量塑料垃圾的填埋和焚燒,造成地下水和空氣的嚴重污染,極大破壞我們的生態環境。因此,尋找一種綠色、經濟環保的材料來替代透明塑料已迫在眉睫。

魚鱗作為不可食用的廢物,占7050萬噸魚年產量的3%左右。魚膠可以從魚鱗中提取,是由膠原蛋白水解產生的可生物降解的大分子組成,約占魚鱗的40-55%,使其具有可持續性、低成本和生態友好性。此外,由於魚膠內部肌原纖維蛋白的存在,魚膠具有良好的成膜性,並且制備過程綠色環保。因此,這些優點促使魚膠有望應用於柔性電子領域。

近日,南京工業大學先進材料研究院黃維院士、劉舉慶教授和於海東教授團隊開發瞭基於透明魚膠薄膜的柔性瞬態ACEL器件。制得的魚膠薄膜具有良好的柔性,可見光透射率高達91.1%,並可在24天內在土壤中完全降解。作者通過在魚膠膜上沉積銀納米線,成功制備瞭一種柔性、透明的薄膜電極。電極方塊電阻低至22.4Ω/sq,並保持82.3%透光率。基於銀納米線-魚膠薄膜電極的柔性ACEL器件在300 V電壓(頻率為400 Hz)工作條件下的發光強度為56.0 cd m-2,並顯示出良好的柔韌性以及生物可降解性。該工作以題目為“Sustainable and Transparent Fish Gelatin Films for Flexible Electroluminescent Devices”發表在《ACS Nano》上。

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【圖文講解】

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圖1魚膠薄膜的制備過程

 

如圖1所示,魚膠薄膜的制備主要采用溶液澆鑄法:魚鱗經過清洗和酸堿預處理,形成膜溶液;然後將溶液倒入培養皿中,幹燥後成膜,並且魚膠膜的厚度和柔性通過制備過程易於調節。

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圖2魚膠薄膜的透明度和表面粗糙度

 

在這項工作中,魚膠薄膜被用作透明電極的柔性襯底,無論是肉眼辨識透明度,還是紫外可見光譜研究,都表明魚膠薄膜和柔性PET、玻璃紙薄膜的透明度都相當。甚至紫外可見光譜結果更加表明,魚膠薄膜在整個可見光譜范圍內的透光率高達91.1%,略大於PET和玻璃紙薄膜的透光率。而襯底的表面粗糙度也是柔性電子特別是高性能ACEL器件的另一個重要參數。經原子力顯微鏡測量發現,魚膠薄膜表面粗糙度(0.5 nm)與PET(0.4 nm)相當,同時遠低於玻璃紙薄膜(3.2 nm),是一種極具潛力的柔性電子元件集成材料(圖2)。

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圖3 魚膠薄膜的可折疊性和抗有機溶劑性能

 

除瞭較高的透明度、較低的粗糙度,魚膠薄膜良好的柔性以及化學穩定性也為應用於高效ACEL器件提供有利保障。在曲率半徑為0.9 mm的情況下,薄膜可以彎曲,並且彎曲後的薄膜很容易恢復,甚至可以將薄膜折疊成復雜的形狀。此外,魚膠薄膜在不同的有機溶劑中浸泡24小時後,仍然保持其原始形狀,沒有任何損傷,顯示出良好的化學穩定性(圖3)。

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圖4魚膠薄膜的可回收性以及可生物降解性

 

魚膠薄膜還具有良好的可回收性和可生物降解性(圖4)。將制備好的魚膠膜在水中再溶解,用同樣的溶液澆鑄方法可以制備出新的膜。再溶解和成膜過程可以重復許多周期,並且其透光率沒有明顯變化,說明瞭薄膜具有高可回收性。此外,與之前用於柔性ACEL器件的不可降解聚合物相比,魚膠薄膜是一種可生物降解的膠原衍生物,具有良好的可生物降解性,可以有效降低環境污染和廢棄物處理成本,符合現代社會對可持續發展的追求。

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圖5 基於魚膠薄膜制備的柔性ACEL器件結構及性能

作者通過噴塗法將銀納米線與魚膠薄膜復合,制得銀納米線-魚膠薄膜電極。基於銀納米線-魚膠薄膜電極的高柔韌性、可降解性、良好的透明性和良好的導電穩定性等優點,本工作將其應用於柔性ACEL器件(圖5)。當工作電壓為300 V,頻率為400 Hz時,該器件亮度可達56 cd m-2。同時,器件具有良好的柔性,即使在彎曲時也具有較高的發射穩定性。並且經過1000次彎曲循環,發射強度也沒有明顯的下降。更有趣的是,由於其高透明度,柔性器件可以從電極的兩側發射,這與傳統的隻允許一面發射的發光器件有很大的不同。而選擇不同的熒光粉,調節混合熒光粉的重量比,可以合理地實現明亮的多色發光。此外,該裝置可以在水中完全溶解,說明該策略提供瞭一種不含有害副產物和電子垃圾的環保光電產品。

【總結】

本文所提出的高度透明的魚膠薄膜不僅制備工藝簡單環保、成本低廉,同時薄膜具有良好的柔韌性、良好的透明性、生物可降解性以及良好的化學穩定性。並且該薄膜在柔性電致發光器件應用方面表現出優異的性能,具有廣泛的應用前景。同時,這項工作也表明,魚膠薄膜作為一種極具潛力的柔性材料,有望應用於柔性電子領域的其他應用方面。

原文鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b09880

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