DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47986-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38719821
تاريخ النشر: 2024-05-08
المؤلف: Lei Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تركز الأبحاث على تطوير إلكترونيات تعمل بالطاقة الذاتية، وقابلة للتعلق والانفصال عن الجلد، والتي تعتبر ضرورية لتقدم إنترنت كل شيء. الطرق الحالية للانفصال عند الطلب غالبًا ما تكون معقدة وتعتمد على الخصائص الفيزيائية للمواد المعنية. لمعالجة هذه القيود، يقدم المؤلفون استراتيجية تآزر ديناميكي متعددة المنافذ بوساطة ألياف السليلوز النانوية، التي تخلق هيدروجيل فوق جزيئي يظهر كل من الالتصاق العكسي القوي والانفصال الضوئي السهل. تنشأ الخصائص الفريدة للهيدروجيل من شبكة مدعومة بألياف السليلوز النانوية والتنسيق بين أيونات الحديد وسلاسل البوليمر، مما يسمح بإعادة تكوين ديناميكية للشبكات فوق الجزيئية.
تظهر الهيدروجيل الناتجة صلابة قابلة للتعديل مثيرة للإعجاب (تصل إلى 86%)، وطاقة التصاق عند الطلب (تصل إلى 93%)، وموصلية مستقرة (تصل إلى 12 مS cm\(^{-1}\)). يتم تطبيق هذه الطريقة المبتكرة أيضًا لتصنيع هيدروجيل قائم على ألياف السليلوز النانوية/Fe\(^{3+}\) من مجموعة متنوعة من البيومكرومولكولات وبوليمرات النفط، مما يعزز الفهم لإعادة تكوين الشبكات فوق الجزيئية الديناميكية. بالإضافة إلى ذلك، طور الباحثون مولد كهربائي تريبوإلكتروني قابل للصق والانفصال، والذي يعمل كواجهة بين الإنسان والآلة لنظام مراقبة لاسلكي يعمل بالطاقة الذاتية قادر على تتبع إشارات حركة الجسم بالكامل في الوقت الحقيقي. يبرز هذا التقدم التطبيقات المحتملة للهيدروجيلات ذات الالتصاق العكسي في الجلود الإلكترونية (e-skins) والأجهزة الذكية، مما يسهل جمع المعلومات البيولوجية والفيزيائية بدقة وموثوقية مع ضمان سهولة التعلق والانفصال دون بقايا.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة لتحضير ألياف السليلوز النانوية (CNF) ووظيفتها اللاحقة مع الدوبامين (DA). تبدأ العملية بأكسدة لب إبر الصنوبر ماسون باستخدام (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl (TEMPO) في وجود هيبوكلوريت الصوديوم، مما يؤدي إلى CNF يحتوي على 1.2 مليمول ج\(^{-1}\) من مجموعات الكربوكسيلات السطحية. ثم تم توزيع CNF بشكل موحد في الماء منزوع الأيونات، وتم إدخال الدوبامين بعد تنشيط مجموعات الكربوكسيل باستخدام EDC وNHS بنسب مولارية مضبوطة.
بعد فترة تفاعل لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة، تم غسيل الخليط لمدة 72 ساعة لتنقية المنتج، الذي تم تجفيفه لاحقًا وتم تسميته CNF-DA. تم تأكيد نجاح وظيفة CNF مع الدوبامين من خلال مطيافية الرنين المغناطيسي النووي \(^{13}\)C في الحالة الصلبة. تسلط هذه الطريقة المنهجية الضوء على التحويل الفعال للسليلوز إلى مادة نانوية وظيفية مناسبة لمزيد من التطبيقات.
نتائج
يقدم قسم النتائج من الدراسة استراتيجية التصميم وآلية الانفصال الضوئي لهيدروجيل CNF-DA/PAA@Fe³⁺، مع تسليط الضوء على خصائصه الميكانيكية الاستثنائية وقدراته اللاصقة. الهيدروجيل، المكون من ألياف السليلوز النانوية (CNF) وحمض الأكريليك (PAA) مع أيونات Fe³⁺، يظهر شبكة فوق جزيئية قوية بسبب التفاعلات التنسيقية القوية. عند التعرض لأشعة UV، يتم تقليل أيونات Fe³⁺ إلى Fe²⁺، مما يسهل التفكك وإعادة تكوين شبكة الهيدروجيل، مما يسمح بالانفصال الضوئي عند الطلب. تم ملاحظة الأداء الأمثل مع محتوى 2% من Fe³⁺ ومحتوى مائي بنسبة 80%، مما يظهر التصاقًا سريعًا وانفصالًا لطيفًا دون تهيج للجلد.
تمت دراسة التحولات الهيكلية للهيدروجيل باستخدام مجهر المسح الضوئي بالليزر (CLSM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مما يكشف عن انتقال من بنية دقيقة كثيفة إلى بنية مسامية عند تعرضها لأشعة UV، تليها استعادة في الهواء. أظهرت تحليلات رامان في الموقع زيادة في مجموعات الكربوكسيل، مما يتوافق مع بنية الهيدروجيل المتراخية. أكدت مطيافية الأشعة السينية (XPS) تقليل Fe³⁺ إلى Fe²⁺ أثناء التعرض لأشعة UV، بينما حددت أطياف الارتباط ثنائية الأبعاد (2D-COS) مجموعات -COOH و-OH كأهم المشاركين في عملية الانفصال الضوئي. تؤكد النتائج على بنية الشبكة القابلة للعكس والقابلة للتعديل للهيدروجيل، المدفوعة بتفاعل فوتو-فينتون، وتؤسس التفاعلات التنسيقية القوية بين أيونات Fe³⁺ ومجموعات -COOH كعوامل حيوية لوظيفته.
مناقشة
يظهر هيدروجيل CNF-DA/PAA@Fe³⁺ خصائص ميكانيكية ملحوظة، بما في ذلك المرونة الاستثنائية، وقابلية التمدد، وقدرات الشفاء الذاتي بسبب التفاعلات التنسيقية القوية بين أيونات الحديد ومجموعات الكربوكسيل. يمكن ثنيه بشكل دوري دون تفتت وتمديده حتى 10 مرات من طوله الأصلي. من الجدير بالذكر أن الهيدروجيل يحتفظ بمرونته حتى بعد التعرض المطول للهواء ويظهر إجهاد شد أقصى قدره 0.053 ميغاباسكال عند إجهاد كسر يبلغ 1425%، متفوقًا بشكل كبير على الهيدروجيلات التقليدية من PAA. ومع ذلك، فإن التعرض لأشعة UV يقلل من قوته الشد وإجهاد الكسر بنحو 66% و78% على التوالي، مما يشير إلى استجابة قابلة للتعديل للمؤثرات البيئية.
بالإضافة إلى خصائصه الميكانيكية، يظهر الهيدروجيل أداءً لاصقًا ممتازًا قابلًا للانفصال بالضوء، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في الجلود الإلكترونية ذات الطاقة الذاتية. تُعزى خصائص الالتصاق إلى التحولات القابلة للعكس في الشبكة فوق الجزيئية التي تسهلها تحويلات التكافؤ لأيونات الحديد. يلتصق الهيدروجيل بقوة بمختلف الركائز، بما في ذلك الجلد والزجاج، ويمكن تعديل التصاقه بسهولة من خلال التعرض لأشعة UV، مما يقلل بشكل كبير من صلابة الواجهة وقوة القص. تتجاوز قابلية تعديل قوة الالتصاق 90%، مما يبرز إمكانياته لتطبيقات متنوعة في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والجلود الإلكترونية. بشكل عام، يمثل هيدروجيل CNF-DA/PAA@Fe³⁺ تقدمًا كبيرًا في تطوير المواد الذكية ذات الخصائص الميكانيكية واللاصقة القابلة للتكيف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47986-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38719821
Publication Date: 2024-05-08
Author(s): Lei Zhang et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
The research focuses on the development of self-powered, skin-attachable and detachable electronics, which are crucial for advancing the Internet of Everything. Current methods for on-demand detachment are often complicated and depend on the physical properties of the materials involved. To address these limitations, the authors introduce a cellulose nanofiber-mediated manifold dynamic synergy strategy that creates a supramolecular hydrogel exhibiting both strong reversible adhesion and easy photodetachment. The hydrogel’s unique properties arise from a cellulose nanofiber-reinforced network and the coordination between iron ions and polymer chains, allowing for dynamic reconfiguration of the supramolecular networks.
The resulting hydrogels demonstrate impressive tunable toughness (up to 86%), on-demand adhesion energy (up to 93%), and stable conductivity (up to 12 mS cm\(^{-1}\)). This innovative approach is further applied to fabricate cellulose nanofiber/Fe\(^{3+}\)-based hydrogels from various biomacromolecules and petroleum polymers, enhancing the understanding of dynamic supramolecular network reconfiguration. Additionally, the researchers developed an adhesive-detachable triboelectric nanogenerator, which serves as a human-machine interface for a self-powered wireless monitoring system capable of real-time tracking of whole-body movement signals. This advancement highlights the potential applications of reversible adhesion hydrogels in electronic skins (e-skins) and intelligent devices, facilitating accurate and reliable biological and physical information collection while ensuring easy attachment and detachment without residue.
Methods
In this section, the authors detail the methods employed for the preparation of cellulose nanofibrils (CNF) and their subsequent functionalization with dopamine (DA). The process begins with the oxidation of Masson pine needle pulp using (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl (TEMPO) in the presence of sodium hypochlorite, resulting in CNF that contains 1.2 mmol g\(^{-1}\) of surface carboxylate groups. The CNF was then uniformly dispersed in deionized water, and dopamine was introduced after activating the carboxyl groups with EDC and NHS in a controlled molar ratio.
Following a 24-hour reaction period at room temperature, the mixture was dialyzed for 72 hours to purify the product, which was subsequently dried and labeled as CNF-DA. The successful functionalization of CNF with dopamine was confirmed through solid-state \(^{13}\)C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. This methodical approach highlights the effective transformation of cellulose into a functionalized nanomaterial suitable for further applications.
Results
The results section of the study presents the design strategy and photo-detachable mechanism of the CNF-DA/PAA@Fe³⁺ hydrogel, highlighting its exceptional mechanical properties and adhesive capabilities. The hydrogel, composed of cellulose nanofibers (CNF) and poly(acrylic acid) (PAA) with Fe³⁺ ions, exhibits a robust supramolecular network due to strong coordination interactions. Upon UV light exposure, Fe³⁺ ions are reduced to Fe²⁺, facilitating the dissociation and reconfiguration of the hydrogel’s network, which allows for on-demand photodetachment. The optimal performance was observed with a 2% Fe³⁺ content and 80% water content, demonstrating rapid adhesion and benign detachment without skin irritation.
Structural transformations of the hydrogel were characterized using confocal laser scanning microscopy (CLSM) and scanning electron microscopy (SEM), revealing a transition from a dense microstructure to a porous one upon UV irradiation, followed by recovery in air. In situ Raman analysis indicated an increase in carboxyl groups, correlating with the hydrogel’s loosening structure. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the reduction of Fe³⁺ to Fe²⁺ during UV exposure, while two-dimensional correlation spectra (2D-COS) identified -COOH and -OH groups as key participants in the photodetachment process. The findings underscore the hydrogel’s reversible and tunable network structure, driven by the photo-Fenton reaction, and establish the strong coordination interactions between Fe³⁺ ions and -COOH groups as pivotal for its functionality.
Discussion
The CNF-DA/PAA@Fe³⁺ hydrogel demonstrates remarkable mechanical properties, including exceptional flexibility, stretchability, and self-healing capabilities due to the strong coordination interactions between Fe ions and carboxyl groups. It can be cyclically bent without fragmentation and stretched up to 10 times its original length. Notably, the hydrogel maintains its flexibility even after prolonged exposure to air and exhibits a maximum tensile stress of 0.053 MPa at a fracture strain of 1425%, significantly outperforming traditional PAA hydrogels. However, exposure to UV light reduces its tensile strength and fracture strain by approximately 66% and 78%, respectively, indicating a tunable response to environmental stimuli.
In addition to its mechanical properties, the hydrogel exhibits excellent photo-detachable adhesive performance, making it suitable for applications in self-powered electronic skins. The adhesion properties are attributed to the reversible supramolecular network transformations facilitated by the valence conversion of Fe ions. The hydrogel adheres strongly to various substrates, including skin and glass, and its adhesion can be easily adjusted through UV irradiation, which significantly decreases interfacial toughness and shear strength. The tunability of adhesion strength exceeds 90%, showcasing its potential for diverse applications in wearable sensors and e-skins. Overall, the CNF-DA/PAA@Fe³⁺ hydrogel represents a significant advancement in the development of smart materials with adaptable mechanical and adhesive properties.