Adv. Mater.：用于生物基电子设备的甲壳素二维软材料

【引言】

2D纳米材料依照性能有很多尺寸和形态，可应用于电子、光学、传感器和操纵件中。然而这些无机的2D纳米材料由于其难于合成，造价较高，有毒性，难降解被禁止应用于一些特殊的工业领域。研究者一直致力于寻找有生物相容性的，可持续的，并且可自然降解的生物基2D纳米材料。据报导一种疏水性界面组装的方法可以从海洋生物梭子蟹中提炼出一种前所未有的纳米片。这种材料将会革新新一代2D纳米材料。

【成果介绍】

中科院青岛生物能源与过程研究所的李朝旭研究员（通讯作者）在Advanced Materials期刊上发表一份名为“Crab Chitin-Based 2D Soft Nanomaterials for Fully Biobased Electric Devices”的文章。通过疏水性界面组装的方法从海洋生物梭子蟹中提炼出一种纳米片材料，这种材料不仅成本低、不污染环境还可用于绿色电子的导电部件，电子、生物降解电路和生物设备等。

【图文简介】

图1  纳米片角素的合成方法和纤维特征

A)从梭子蟹到纳米片角素的两步骤合成程序。步骤一：将梭子蟹溶解到NaoH水溶液中。步骤二：通过疏水化角素形成纳米片角素。

B,C)TEM图像。

D)纳米片角素的AFM图像。

B中的插图是由刚果红染色的荧光图像。D中的插图是沿着指示线的高度剖面。

图2 纳米片角素的形成机制

A)纳米片角素诱导界面集结的示意图，角素致使空气乳化和甲壳素分子的聚集，甲壳素在界面上的聚集产生空心甲壳素囊泡，经过搅拌破乳产生纳米片角素。

B）甲壳素粉末和纳米片的¹³C CP/MAS 固态NMR光谱。

C）疏水化引起的空气乳化随时间变化的光学显微特征图：(I) 0 h, (II) 2 h, and (III) 3 h.比例尺是500μm。

D）不同疏水化时间下角速度和粘度的函数曲线。

E）纳米片角素的高倍显微特征：I) AFM和 II) SEM.

F）甲壳素在界面上的聚集产生空心囊泡。

G)甲壳素粉末和纳米片的XRD图像，实验条件：2 wt%的甲壳素溶液。

图3 甲壳素纳米片的皮克林乳化和碳化

A)在不同浓度的纳米片角素中存在的异辛烷水乳剂液滴。顶层：03 wt%和下层：0.3 wt%。比例尺是100μm。

B）纳米片角素浓度与异辛烷水乳剂液滴直径的关系图。

C,D）在0.03 wt% (C)和0.3 wt%(D)纳米片角素之中的冷冻异辛烷水乳剂液滴的SEM图。插图给出了在相应液滴周围受限纳米片角素的示意图。

E-G)碳纳米片的显微特征：

E) SEM；

F) TEM，插图是碳纳米片在乙醇中的分散性；

G) AFM，插图给出了沿着指示线的高度剖面。

H)在800℃和900℃碳化温度下碳纳米片的XPS光谱。

图4 用于超级电容器和柔性电路的碳纳米片

A-C）碳纳米片的电子化学特征：

A）CV曲线,

B）在1 A g⁻¹充电/不充电的电压分布；

C）5A g⁻¹下的循环稳定性，插图是经过10000次循环后充电/不充电电压分布的变化。

D）甲壳素和碳纳米片混合膜横截面的SEM图片。

F）甲壳素和碳纳米片经过滤罩连续过滤在透明甲壳素基质上得到的柔性碳回路。

G）带有混合回路碳和甲壳素层横截面的SEM图像。

H）混合回路的拉伸应力-应变曲线。插图是其导电性。

I）混合回路在土壤中生物降解与时间的函数图。

图5 甲壳素基电子传感器

A)应变传感器的相对电阻与应变曲线。插图是它的安装示意图。

B)应变传感器的阻力于重力曲线。插图是它的安装示意图。

C)重力传感器的循环稳定性曲线。

D)腕关节弯曲过程中的运动感知图示。

【小结】

从低廉的海洋生物梭子蟹中提炼出的纳米片，不仅满足电子设备性能的需要，更是绿色环保，可持续发展。这种材料将会革新新一代2D纳米材料，也算是未来科研工作者主要研究的方向。

文献链接：Crab Chitin-Based 2D Soft Nanomaterials for Fully Biobased Electric Devices（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma. 201606895）

整理人：段鹏超。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

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