图1。水对电子设备有害，因为它容易导致短路和事故，如过热/点火。通过用纤维素纳米纤维(CNFs)涂覆电子电路，有可能以与传统防水涂层完全不同的方式防止水诱发的短路。学分:奥萨卡大学大多数电子设备都不防水，当你在外面用手机通话时，如果一个喷水器突然喷到你身上，你会很生气。一些电子产品至少可以防水，例如，使用特殊的胶水将外部元件熔合在一起。柔性电子是另一个故事。它们的密封剂材料必须能够弯曲，但以目前的技术，这种密封剂最终不可避免地会破裂或从设备上分离，这样就有了防水涂层。研究人员决心想出一个解决办法。纤维素纳米纤维是一种用于柔性电子产品的聚合物涂层。这些纤维由可再生资源制成，对环境友好。然而，它们通常会吸水——这通常被认为是赋予防水性的致命限制。
在最近发表在《ACS应用纳米材料》杂志上的一项研究中，大阪大学的研究人员开发了自愈合纤维素纳米纤维，这种纤维在水中轻微分散，并起到保护铜电极的作用，使电极能够长时间工作。研究人员的柔性电路保护机制保留了电极在水下的功能，可以经历数百次弯曲循环。
“在我们最初的工作中，一个未受保护的铜电极在滴水五分钟后就失效了，”第一作者Takaaki Kasuga说。"值得注意的是，纤维素纳米纤维涂层至少在一天的相同水挑战中防止了失败."
这是为什么？请记住，纤维素纤维不排斥水。相反，这种聚合物涂层在电极中迁移，以防止形成导致短路的导电金属丝。在切丝涂层被划伤以模拟弯曲损伤后，电极甚至保持了它们的功能。
图2。水引起的短路是由阴极的树枝状生长引起的。当电路通电时，铜离子从阳极溶解并迁移到阴极。铜离子然后在阴极被还原并以树枝状沉淀。然而，使用保护性纤维素纳米纤维(CNF)涂层，所施加的电场和水促进了氯化萘向阳极的分散和迁移，并且在阳极周围形成保护性水凝胶层。水凝胶层可以捕获铜离子；因此，至少在24小时内防止了电极间短路。信用:大阪大学“我们的结果不能归因于简单的离子交换或纳米纤维长度，”资深作者Masaya Nogi解释道。"纳米纤维在水中聚集成保护层，通过局部酸性条件和聚合物交联形成粘性."
对聚合物涂层更严格的测试是在水下弯曲300个周期一个小时后的性能。传统的聚合物涂层通常失效，但纤维素纳米纤维继续为发光二极管供电。
图3。如果防水涂层损坏，水不可避免地会渗透，并且水很容易由于枝晶生长而导致故障。纤维素纳米纤维(CNFs)向阳极和凝胶迁移，因此即使CNF涂膜受损，也能抑制短路。学分:大阪大学“你可以用我们的涂层拉伸、弯曲和折叠电子产品，它们仍然保持防水性能，”Kasuga说。“这对于设备故障不可接受的极端条件下的应用至关重要，例如，用于紧急灾难响应的医疗设备。”
在前期工作中，即使是厚度仅为1.5微米的超薄聚合物涂层和一些其他聚合物，其性能也与最初测试的装置相似。在未来几年里，它们将成为可穿戴电子产品甚至医疗设备的主要产品。
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