Electrospun Polytetrafluoroethylene Nanofibrous Membran untuk Sensor Self-Powered Kinerja Tinggi

Hasil dan Diskusi

Membran nanofibrous PTFE dibuat dengan pendekatan dua langkah, seperti yang ditunjukkan secara skema pada Gambar. 1a. Karena ketahanan kimia PTFE yang luar biasa, ia tidak dapat dilarutkan dalam pelarut apa pun, sehingga sulit untuk secara langsung mengelektrospin larutan PTFE menjadi nanofiber. Untuk mengatasi masalah ini, pendekatan dua langkah umumnya digunakan untuk fabrikasi nanofibers PTFE [23, 24]. Pertama, komposit PTFE nanofibrous dibuat dengan electrospinning, menggunakan polimer yang larut dalam air sebagai pembawa untuk dispersi partikel PTFE. Kemudian, perawatan pasca-termal diterapkan untuk menghilangkan pembawa untuk mendapatkan serat nano PTFE. Dalam penelitian ini, PEO digunakan sebagai pembawa karena kelarutan dalam air yang baik dan titik leleh yang rendah. Menggunakan larutan air PEO tersuspensi partikel PTFE sebagai prekursor untuk electrospinning, nanofibers PTFE-PEO dengan diameter 500~800 nm berhasil diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1. Karena sejumlah kecil PEO (PEO/PTFE =1/27 dalam larutan prekursor) tidak dapat sepenuhnya mengemas partikel PTFE, serat nano PTFE-PEO yang disiapkan menunjukkan permukaan kasar dan komposisi fase hanya PTFE (File tambahan 1:Gambar S1b ). Untuk mendapatkan serat nano PTFE murni, perlakuan termal digunakan untuk menghilangkan PEO dan partikel PTFE yang menyatu bersama-sama. Menurut penelitian sebelumnya, PTFE meleleh pada ~ 327 °C dan stabil secara termal hingga ~ 500 °C [24]. Dengan demikian, suhu 350 °C, sedikit lebih tinggi dari suhu leleh PTFE, dipilih untuk menghilangkan PEO dan menyatukan nanopartikel PTFE untuk membentuk serat nano kontinu. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, jaring nanofiber PTFE dengan ukuran 5 cm × 5 cm diperoleh setelah kalsinasi. Studi SEM mengungkapkan bahwa morfologi serat terpelihara dengan baik setelah kalsinasi (Gbr. 1c). Interkoneksi beberapa nanofibers PTFE dan hilangnya nanopartikel PTFE pada nanofibers menunjukkan fusi nanopartikel (inset dari Gambar. 1c). Penghapusan komponen PEO dari nanofibers terungkap oleh studi FTIR. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, PEO murni menunjukkan beberapa puncak yang menonjol pada 841, 947, 1059, 1092, dan 1342 cm ⁻¹ , sesuai dengan getaran CH₂ dan kelompok CO [22, 25]. Di sisi lain, ada lima puncak kuat yang muncul dalam spektrum FTIR PTFE murni, di antaranya yang paling menonjol pada 1146 dan 1201 cm ⁻¹ adalah karakteristik dari CF₂ mode peregangan simetris dan asimetris, masing-masing [26], dan puncak pada 512, 554, dan 639 cm ⁻¹ dapat ditetapkan ke mode goyang, deformasi, dan goyangan CF₂ , masing-masing [27]. Puncak yang ditetapkan untuk PEO masih dapat diamati dalam spektrum membran nanofibrous PTFE-PEO electrospun meskipun kandungan komponen PEO rendah (seperti yang ditunjukkan oleh garis oranye putus-putus pada Gambar. 1d). Setelah disinter pada 350 °C, puncak ini benar-benar hilang, menghasilkan komposisi PTFE telanjang dari membran nanofibrous.

a Diagram skematis yang menunjukkan pembuatan dua langkah membran nanofibrous PTFE:(1) electrospinning untuk mendapatkan membran nanofibrous PTFE-PEO dan (2) perlakuan termal untuk menghilangkan PEO dari membran nanofibrous PTFE-PEO electrospun. b Foto digital dan c Gambar SEM dari membran nanofibrous PTFE dengan sisipan menunjukkan tampilan yang diperbesar. d Spektrum FTIR dari (1) PEO murni, (2) PTFE murni, (3) membran nanofibrous PTFE-PEO electrospun, dan (4) membran nanofibrous PTFE, dengan garis jingga putus-putus menunjukkan puncak utama PEO

Gambar 2 menunjukkan sekumpulan hasil karakterisasi pada membran nanofibrous PTFE. Mirip dengan sampel prekursor PTFE-PEO, membran nanofibrous PTFE hanya terdiri dari fase PTFE. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, ada dua puncak difraksi yang terletak pada 18,2° dan 31,7° pada pola XRD, sesuai dengan bidang (100) dan (110) PTFE. Studi XPS lebih lanjut menjelaskan komposisi PTFE telanjang. Pola XPS menunjukkan puncak karakteristik C1°s dan F1°s yang berpusat pada ~ 286 dan ~685 eV, masing-masing (Gbr. 2b). Sementara puncak karakteristik O 1 yang umumnya muncul pada ~ 532 eV tidak dapat diamati [28], menunjukkan bahwa komponen PEO telah sepenuhnya dihilangkan selama perlakuan termal. Untuk mengevaluasi kesesuaian penggunaan membran nanofibrous PTFE sebagai sensor electret yang dapat dipakai, sifat-sifatnya yang terkait dengan persyaratan aplikasi khusus ini juga telah dikarakterisasi. Gambar 2c memberikan penurunan tekanan ketika udara melewati membran pada berbagai laju aliran. Penurunan tekanan menjaga hubungan yang hampir linier dengan laju aliran gas pada tingkat yang diuji, dan nilainya cukup kecil, bahkan sebanding dengan masker wajah filter [29], menunjukkan permeabilitas udara yang baik dari membran. Masuk akal karena interkoneksi jaringan serat, membran juga menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik dengan kekuatan tarik ~ 3,8 MPa dan perpanjangan putus 220% (Gbr. 2d), yang memenuhi persyaratan elektronik yang dapat dikenakan. Gambar 2e menunjukkan variasi potensial permukaan membran dalam 30 hari. Nilainya menurun tajam dari sekitar 480 menjadi 300 V setelah menyimpan membran pada kondisi ambien selama 1 hari dan kemudian menurun perlahan pada 11hari berikutnya, akhirnya tetap stabil pada 270 V. Permeabilitas udara yang baik, sifat mekanik yang sangat baik, dan potensi permukaan yang stabil dari membran nanofibrous PTFE mengungkapkan aplikasi potensialnya untuk sensor bertenaga mandiri yang dapat dikenakan.

Karakterisasi pada membran nanofibrous PTFE:a Pola XRD, b Spektrum XPS, c penurunan tekanan sebagai fungsi dari laju aliran gas, d kurva tegangan-regangan, dan e variasi potensial permukaan dalam 30 hari.

Bergantung pada kemampuan penyimpanan muatannya, membran nanofibrous PTFE dapat digunakan untuk membuat electret NG. Untuk menjaga permeabilitas udaranya saat diintegrasikan ke dalam perangkat, kain penghantar komersial dengan permeabilitas udara yang sangat baik digunakan sebagai elektroda untuk membangun electret NG (File tambahan 1:Gambar S2). Pertama, dua ujung membran nanofibrous PTFE dipasang di antara dua spacer; kemudian, membran diapit menjadi dua potong pakaian karbon konduktif yang membentuk perangkat NG dengan ukuran efektif 4 cm × 4 cm (Gbr. 3a). Muatan surplus negatif dalam nanofibers PTFE akan menginduksi muatan positif di elektroda atas dan bawah dengan jumlah total yang sama dengan muatan negatif (Gbr. 3b). Dalam keadaan statis, tidak ada muatan yang dapat ditransfer karena keadaan keseimbangan distribusi potensial listrik. Ketika keadaan keseimbangan rusak dengan menekan dan melepaskan perangkat, perubahan celah antara membran PTFE dan elektroda kain karbon akan menyebabkan perubahan kapasitansi dan dengan demikian mengakibatkan redistribusi muatan antara dua elektroda, menghasilkan alternatif arus transien yang mengalir melalui rangkaian eksternal. Mekanisme kerja NG struktur sandwich ini mirip dengan NG struktur lengkung yang dilaporkan [17, 30]. Namun demikian, NG yang ditunjukkan dalam karya ini jauh lebih mudah untuk dibuat dan lebih bernapas, dibandingkan dengan NG struktur lengkung berbasis film tipis dan beberapa NG berbasis serat lainnya [17, 30,31,32,33,34].

a Foto digital perangkat NG dan b ilustrasi skematis dari strukturnya. c Arus keluaran dari dua perangkat NG individu (G1 dan G2) dan koneksi paralelnya (G1 + G2). d Output dari NG dengan kekuatan stimulasi yang berbeda pada 5 Hz. e Output NG pada frekuensi yang berbeda dengan gaya stimulasi 5 N. f Output dari NG dengan resistensi pembebanan yang berbeda. g Stabilitas bersepeda NG

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, NG menunjukkan arus puncak ~ 1,5 μA di bawah gaya stimulasi 5 N dan frekuensi 5 Hz. Ketika dua NG dihubungkan secara paralel dengan polaritas yang sama, arus keluaran total hampir merupakan nilai tambah masing-masing, menunjukkan bahwa keluaran listrik dari NG memenuhi kriteria superposisi linier dalam koneksi rangkaian dasar [35]. Kinerja NG dipelajari lebih lanjut secara sistematis di bawah kekuatan dan frekuensi yang berbeda. Pada frekuensi tertentu, arus puncak dan jumlah integral dari muatan yang ditransfer (Q ) meningkat seiring dengan peningkatan gaya stimulasi dari 1 menjadi 5 N (Gbr. 3d dan File tambahan 1:Gambar S3a). Peningkatan lebih lanjut dari kekuatan stimulasi tidak dapat lebih meningkatkan output karena Q hanya ditentukan oleh amplitudo perubahan celah antara membran PTFE dan elektroda [17], yang telah mencapai nilai maksimal pada gaya yang cukup 5 N. Juga, karena mekanisme variasi kapasitansi, Q mempertahankan nilai ~ 26.9 nC yang hampir konstan dengan variasi frekuensi karena amplitudo perubahan celah tidak tergantung pada frekuensi (Gbr. 3e). Namun demikian, arus keluaran meningkat dengan peningkatan frekuensi pada gaya stimulasi yang diberikan (File tambahan 1:Gambar S3b), karena jumlah muatan yang sama ditransfer dalam waktu yang lebih singkat. Untuk mendapatkan daya puncak maksimal, kinerja keluaran dengan hambatan pembebanan eksternal yang berbeda dipelajari pada frekuensi 5 Hz dan gaya stimulasi 5 N. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3f, arus keluaran dijaga hampir tidak berubah dengan hambatan pembebanan sebesar 0,1~10 MΩ dan kemudian menurun dari ~ 1,5 menjadi 0,081 μA dengan peningkatan lebih lanjut dari resistansi pemuatan hingga 1000 MΩ, menyiratkan resistansi internal perangkat NG antara 10 dan 1000 MΩ. Berdasarkan definisi kekuatan, P =Aku ² R , daya puncak maksimal setinggi 56,25 μW dapat diperoleh dengan resistansi pembebanan 100 MΩ. Dengan demikian, resistansi internal perangkat NG disimpulkan menjadi ~  100 MΩ, karena daya maksimal NG muncul dengan syarat bahwa resistansi internalnya sesuai dengan resistansi pemuatan [21]. Akhirnya, stabilitas siklus NG dievaluasi pada gaya 5 N dan frekuensi 5 Hz. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 3g, tidak ada penurunan yang jelas pada arus keluaran serta jumlah integral dari muatan yang ditransfer yang ditemukan selama 50 k siklus, menunjukkan stabilitas siklus yang sangat baik dari NG.

Untuk mendemonstrasikan potensi penggunaan NG sebagai sensor self-powered untuk pemantauan gerakan tubuh, perangkat dipasang di atas sendi siku yang diluruskan untuk memantau gerakan sendi siku. Gambar 4a menunjukkan sinyal listrik keluaran saat menekuk sambungan siku ke serangkaian sudut. Pulsa arus dapat diidentifikasi dengan jelas bahkan dengan gerakan kecil sebesar 30° dan menjadi semakin menonjol pada sudut tekuk yang ditinggikan. Gambar 4b menggambarkan hubungan antara output NG dan sudut pencampuran dari sambungan siku. Karena deformasi perangkat yang rumit, perubahan celah antara membran PTFE dan elektroda kain karbon tidak dapat dikorelasikan secara kuantitatif dengan sudut tekuk sambungan siku. Dengan demikian, hubungan antara keluaran perangkat NG dan sudut tekuk dari sambungan siku hanya dapat ditentukan secara matematis tetapi tidak secara fisik. Namun demikian, ketergantungan arus dan muatan yang ditransfer pada sudut pencampuran dapat secara efektif menunjukkan keadaan gerakan sendi siku, menunjukkan potensi penerapan NG sebagai sensor bertenaga sendiri untuk memantau gerakan tubuh secara real-time.

a Sinyal keluaran NG pada berbagai sudut tekuk sendi siku dan b plot yang sesuai dari arus puncak dan muatan yang ditransfer integral

Selain aplikasi untuk pemantauan gerakan tubuh, NG juga dapat berfungsi sebagai sensor bertenaga sendiri untuk memantau sinyal fisiologis melalui pemasangan perangkat pada posisi tertentu dari tubuh manusia. Misalnya, saat memasang alat NG di perut, pengecilan dan pengembangan perut selama pernapasan akan merangsang perangkat, menghasilkan sinyal listrik yang memberikan informasi tentang pernapasan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, gelombang arus alternatif yang jernih dengan nilai puncak 6~10 nA telah direkam, yang sangat cocok dengan ritme pernapasan pria dewasa dengan frekuensi ~ 20 kali per menit. Perangkat NG juga dapat digunakan untuk pemantauan detak jantung saat dipasang di dada atau pergelangan tangan. Denyut jantung atau arteri yang teratur akan merangsang perangkat NG untuk menghasilkan sinyal arus periodik yang sesuai sebagai jejak detak jantung. Inilah yang disebut metode balistokardiografi, yang mekanismenya didasarkan pada pelacakan gerakan mekanis halus yang dihasilkan oleh pengeluaran darah selama siklus jantung [36]. Gambar 5b menyajikan output perangkat NG yang terpasang di dada laki-laki, dari mana 23 puncak arus yang menonjol dalam 20 s dapat diidentifikasi dengan jelas, menunjukkan tingkat detak jantung ~ 69 denyut per menit. Nilai ini berada dalam kisaran batas normal untuk pria muda yang sehat (60~100 denyut per menit [37]). Selanjutnya, sinyal tersebut mampu interpretasi komprehensif untuk mengekstrak informasi tentang detail setiap siklus jantung, yang berguna untuk diagnosis kardiovaskular tambahan [36, 38]. Seperti contoh pada Gambar. 5c, bentuk gelombang listrik secara eksplisit melacak tiga proses siklus jantung yang khas, penamaan tahap presistol (F-G-H), sistol (I-J-K), dan diastolik (L-M-N). [37]. Dibandingkan dengan pengukuran gelombang nadi aorta di dekat jantung, pemantauan denyut arteri perifer dengan memasang alat NG pada batang tubuh lebih nyaman. Gambar 5d menunjukkan sinyal arus yang direkam dari NG yang dipasang di pergelangan tangan. Denyut arus yang tajam pada pola tersebut dengan jelas merekam ritme denyut arteri radialis dengan frekuensi ~ 72 kali per menit. Gambar 5e adalah tampilan bentuk gelombang yang diperbesar, dari mana dua puncak utama dapat dibedakan:puncak aliran darah insiden P ₁ dan puncak yang dipantulkan P ₂ dari daerah tangan [37]. Berdasarkan amplitudo puncak ini, indeks augmentasi arteri radial (AI_x =P ₂ /P ₁ ), sebagai indikator penting penyakit kardiovaskular dan kerusakan organ target, dapat dihitung [39]. Menurut data yang diperoleh, nilai statistik ~ 54% diperoleh, menunjukkan kondisi kardiovaskular normal untuk pria berusia 33 tahun.

Sinyal keluaran NG yang dipasang pada berbagai posisi tubuh pria:a di perut, b di dada, dan d di pergelangan tangan; c dan e adalah tampilan sinyal yang diperbesar di b dan d masing-masing

Kesimpulan

Ringkasnya, penelitian ini membenarkan kesesuaian penggunaan membran nanofibrous PTFE electrospun untuk konstruksi sensor yang dapat dipakai sendiri dengan kinerja tinggi. Membran nanofibrous PTFE berhasil dibuat dengan electrospinning dengan suspensi berair PTFE-PEO dan perawatan pasca-termal untuk menghilangkan komponen PEO. Karena permeabilitas udara yang baik dan sifat mekanik dan elektret yang sangat baik, perangkat NG yang dibuat berdasarkan membran nanofibrous PFTE electrospun dapat secara efektif mengubah energi mekanik menjadi listrik dengan daya puncak tinggi 56,25 μW dan stabilitas siklus jangka panjang, menunjukkan potensi untuk digunakan sebagai sensor yang dapat dipakai dengan daya sendiri yang sensitif. Memang, NG terbukti sebagai sensor yang dapat dikenakan yang sangat baik yang secara kuantitatif dapat memantau gerakan tubuh dan sinyal biologis termasuk pernapasan dan detak jantung, menyiratkan aplikasi potensialnya dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan untuk pemantauan gerakan tubuh dan kesehatan.

Ketersediaan Data dan Materi

Semua data yang dihasilkan dalam penelitian ini disertakan dalam artikel dan file tambahannya.

Singkatan

FE-SEM:

Mikroskop elektron pemindaian emisi medan

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

NG:

Nanogenerator

PEO:

Polietilen oksida

PTFE:

Politetrafluoroetilen

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

XRD:

difraksi sinar-X

Sifat-Sifat dari Sinar Vortex Anomali Terpolarisasi Sirkular Terpusat dan Gaya Optiknya pada Nanopartikel yang Terjebak Mengoksidasi dan Mendispersi Nano Serat Sutera Alami