新しい持続可能な電子機器:生分解性センサーとディスプレイの 3D プリント

新しい持続可能な電子機器:生分解性センサーとディスプレイの 3D プリント
2023年7月9日、アンタークティックベアは、スイスのデューベンドルフにあるEmpaセルロースおよび木材材料研究所の研究者が大きな進歩を遂げ、優れた性能を持つ3Dプリント材料を開発したことを知りました。この素材は 3D プリント可能で、生分解性があり、色を変えることができ、導電性があります。セルロースとカーボンナノチューブを組み合わせることで、研究チームは持続可能なセンサーとディスプレイの開発の新たな機会を発見しました。
気温が暖かくなると、プリントされたEmpaロゴの色が変わります。 (画像出典: Empa)
科学者たちは、水と混ぜると液晶を形成する、医薬品や食品によく使われる物質であるヒドロキシプロピルセルロース(HPC)を使った実験を始めた。これらの結晶には驚くべき特性があります。異なる構造の結晶(特に HPC の濃度によって決まります)は、色や顔料をまったく含まないにもかかわらず、異なる色で輝きます。この現象は構造色と呼ばれ、自然界では非常に一般的です。たとえば、孔雀の羽、蝶の羽、カメレオンの皮膚の鮮やかな色は、色素からではなく、日光(白色)をスペクトルの色に「分割」し、特定の色の波長のみを反射する微細構造から生じます。
自然界における構造色の例
HPC の構造色は温度と濃度によって変化します。この特性をより有効に活用して色の変化を制御するために、研究者は Gustav Nyström の指導の下、HPC と水の混合物にカーボンナノチューブ (0.1wt%) を導入しました。これにより、液体が導電性になり、電圧を印加することで液晶の温度、ひいては色を制御できるようになります。追加の利点として、カーボンは広帯域吸収体として機能し、色を深めます。ニストロム氏のチームはまた、混合物に少量のセルロースナノファイバーを加えることで、構造の色や導電性に影響を与えることなく、3Dプリント可能にすることにも成功した。
研究者たちは、新しいセルロース混合物を使用して、新技術の潜在的な用途をいくつか3Dプリントしました。これらには、機械的な変形に基づいて色が変わるひずみセンサーや、シンプルな 7 セグメント ディスプレイが含まれます。
電圧をかけると、印刷された導電部の色が変わります。 (画像出典: Empa)
構造的な色彩と導電性を維持しながら、3D 印刷技術との互換性を確保するために、研究者らは混合物にセルロースナノファイバーを組み込みました。この画期的な技術により、機械的な変形に応じて色が変わるひずみセンサーや基本的な 7 セグメント ディスプレイなど、生分解性電子機器の開発への道が開かれました。
研究の共著者であるザビエル・エビー氏は、セルロースインクの潜在的な用途に大きな関心を示し、食品の品質管理や生物医学的診断への利用を構想した。構造色の生成と、それがさまざまな環境条件や添加物に反応する様子に魅了された研究チームは、この分野をさらに深く探求することを目指しています。
持続可能で 3D プリント可能な材料の開発は、生分解性電子機器や拡大するモノのインターネットの分野にとって大きな可能性を秘めています。将来的には、セルロース インクは、温度センサーや歪みセンサー、食品の品質管理、生物医学診断など、さまざまな用途に使用される可能性があります。 Empa の研究者は、継続的な調査を通じて、新たな魅力的な現象を発見し、この画期的な技術の他の潜在的な用途を発見することを目指しています。


「私たちの研究室では、電池やセンサーなど、セルロースをベースにしたさまざまな使い捨て電子部品をすでに開発しています。セルロースベースのディスプレイを開発できたのは今回が初めてです。」 - Empa研究の共著者、ザビエル・エビー
「持続可能な 3D プリント可能な材料は、特に生分解性電子機器やモノのインターネットへの応用において大きな関心を集めています。構造色がどのように生成され、さまざまな添加物や環境条件によってどのように変化するかについては、まだ多くの未解決の疑問が残っています。」 - グスタフ・ニストロム、Empa

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