Перейти до вмісту
Наукові вісті КПІ
ISSN 2617-5509 · e‑ISSN 2663-7472 Відкритий доступ · CC BY 4.0
Т. 135 · № 1-2 · 2022 чер 1, 2020 статті

СЕНСОРИ НА ОСНОВІ НАНОЦЕЛЮЛОЗИ ДЛЯ БІОРОЗКАДНОЇ, ГНУЧКОЇ, ОДНОРАЗОВОЇ І НОСИМОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

АН
Арсеній Найдьонов Відповідальний National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Faculty of Electronics, Department of Microelectronics, Ukraine Україна
ВК
Вікторія Коваль National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Faculty of Electronics, Department of Microelectronics, Ukraine Україна
Опублікованочер 1, 2020
PDF
НВКПІ 1-2 ТОМ 135 · 1-2
ТОМ 135 · № 1-2 · 2022 Переглянути випуск

Анотація

Проблематика . Швидкий технічний прогрес призвів до зниження терміну експлуатації побутової електроніки. Впровадження приладів зеленої гнучкої електроніки, що здатні біологічно розкладатися, дозволять запобігти екологічній катастрофі. Останнім часом все більшої популярності набуває використання органічних матеріалів замість неорганічних аналогів, що дає змогу перейти від жорстких твердотільних сенсорів багаторазового використання, що потребують утилізації, до гнучких, одноразових сенсорів, що придатні до носіння людиною на тілі або одязі і до самочинного розкладання в природі після використання. Одним із таких перспективних органічних матеріалів є наноцелюлоза. Мета дослідження . Вивчення можливості використання наноцелюлози для виготовленні гнучких, носимих, одноразових сенсорів різних видів фізичних та хімічних величин. Методика реалізації . В статті здійснено аналіз, класифікацію та порівняння різних технологій і особливостей синтезу, а також основних характеристик гнучких сенсорів, виготовлених на основі наноцелюлози. Також в роботі було співставлено основні параметри гнучких сенсорів на основі наноцелюлози з відповідними аналогами сенсорів на основі штучних полімерів. Результати дослідження . В роботі були встановлені фізичні та технологічні особливості використання наноцелюлози для виготовлення сенсорів різних видів фізичних та хімічних величин з метою покращення їх робочих характеристик. Встановлено, що наноцелюлоза може використовуватися як у якості підкладки, так і у якості чутливого елементу сенсора. Також було показано, що наноцелюлоза підходить для використання її як у сенсорах, що базуються на електричних фізичних явищах, так і на оптичних ефектах. Висновки . Наноцелюлоза є перспективним біорозкладним матеріалом, на основі якого можна створювати гнучкі, одноразові, носимі сенсори. Технологія виготовлення таких сенсорів має містити лише низькотемпературні та сухі процеси обробки. Для ефективного застосування в певних видах сенсорах доцільно виготовляти наноцелюлозу з модифікованою поверхнею або у вигляді композитів з іншими наноматеріалами. На основі одержаних результатів можна вдосконалювати існуючі та розробляти нові методи створення гнучких носимих одноразових сенсорів, які не потребують утилізації.

Ключові слова

#гнучкі сенсори #носимі сенсори #одноразові сенсори #біорозкладна електроніка #наноцелюлоза

Посилання

  1. D. N. Perkins, M. N. Brune Drisse, T. Nxele, and P. D. Sly, “E-waste: A global hazard,” Ann. Glob. Heal., vol. 80, no. 4, pp. 286–295, 2014, doi: 10.1016/j.aogh.2014.10.001.
  2. M. Pääkko et al., “Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong gels,” Biomacromolecules, vol. 8, no. 6, pp. 1934–1941, 2007, doi: 10.1021/bm061215p.
  3. N. P. Klochko et al., “Use of biomass for a development of nanocellulose-based biodegradable flexible thin film thermoelectric material,” Sol. Energy, vol. 201, no. January, pp. 21–27, 2020, doi: 10.1016/j.solener.2020.02.091.
  4. C. Yan et al., “Highly stretchable piezoresistive graphene-nanocellulose nanopaper for strain sensors,” Adv. Mater., vol. 26, no. 13, pp. 2022–2027, 2014, doi: 10.1002/adma.201304742.
  5. V. Koval, V. Barbash, M. Dusheyko, V. Lapshuda, O. Yashchenko and A. Naidonov, "Nickel-based Piezoresistive Sensors Obtained on Flexible Nanocellulose Substrate," 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2021, pp. 1-5, doi: 10.1109/NAP51885.2021.9568610.
  6. V. A. Lapshuda, Ya. O. Linevych, M. H. Dusheiko, V. M. Koval, i V. A. Barbash, «Capacitive moisture sensors based on nanocellulose films for biodegradable electronics», Microsystems, Electronics and Acoustics, no. 27, no. 1, 2022, p. 255990–1- 255990–8, doi: 10.20535/2523-4455.mea.255990.
  7. B. P. Frank et al., “Biodegradation of Functionalized Nanocellulose,” Environ. Sci. Technol., vol. 55, no. 15, pp. 10744–10757, 2021, doi: 10.1021/acs.est.0c07253.
  8. J. ZHOU, D. MEN, and X. E. ZHANG, “Progress in wearable sweat sensors and their applications,” Chinese J. Anal. Chem., vol. 50, no. 2, pp. 87–96, Feb. 2022, doi: 10.1016/J.CJAC.2021.11.004.
  9. Z. Candan et al., “Nanocellulose: Sustainable biomaterial for developing novel adhesives and composites,” Ind. Appl. Nanocellulose Its Nanocomposites, pp. 49–137, Jan. 2022, doi: 10.1016/B978-0-323-89909-3.00015-8.
  10. L. Huang, Y. Yang, P. Ti, G. Su, and Q. Yuan, “Graphene oxide quantum dots attached on wood-derived nanocellulose to fabricate a highly sensitive humidity sensor,” Carbohydr. Polym., vol. 288, p. 119312, Jul. 2022, doi: 10.1016/J.CARBPOL.2022.119312.
  11. M. M. Langari, M. M. Antxustegi, and J. Labidi, “Nanocellulose-based sensing platforms for heavy metal ions detection: A comprehensive review,” Chemosphere, vol. 302, p. 134823, Sep. 2022, doi: 10.1016/J.CHEMOSPHERE.2022.134823.
  12. M. S. M. Misenan, Z. N. Akhlisah, A. H. Shaffie, M. A. M. Saad, and M. N. F. Norrrahim, “Nanocellulose in sensors,” Ind. Appl. Nanocellulose Its Nanocomposites, pp. 213–243, Jan. 2022, doi: 10.1016/B978-0-323-89909-3.00005-5.
  13. A. Horta-Velázquez and E. Morales-Narváez, “Nanocellulose in wearable sensors,” Green Anal. Chem., vol. 1, p. 100009, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.GREEAC.2022.100009.
  14. Y. Wu et al., “Using TEMPO-oxidized-nanocellulose stabilized carbon nanotubes to make pigskin hydrogel conductive as flexible sensor and supercapacitor electrode: Inspired from a Chinese cuisine,” Compos. Sci. Technol., vol. 196, no. January, p. 108226, 2020, doi: 10.1016/j.compscitech.2020.108226.
  15. A. Maekawa, M. Noda, M. Shintani, and M. Suzuki, “Influential factors for noncontact measurement method of vibration stress using multiple laser displacement sensors,” Opt. Lasers Eng., vol. 151, p. 106942, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.OPTLASENG.2021.106942.
  16. E. Copertaro, “Assessment of resistive strain gauges measurement performances in experimental modal analysis and their application to the diagnostics of abrasive waterjet cutting machinery,” Measurement, vol. 188, p. 110626, Jan. 2022, doi: 10.1016/J.MEASUREMENT.2021.110626.
  17. Z. Ma, H. Li, X. Jing, Y. Liu, and H. Y. Mi, “Recent advancements in self-healing composite elastomers for flexible strain sensors: Materials, healing systems, and features,” Sensors Actuators A Phys., vol. 329, p. 112800, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.SNA.2021.112800.
  18. J. C. Costa, F. Spina, P. Lugoda, L. Garcia-Garcia, D. Roggen, and N. Münzenrieder, “Flexible Sensors—From Materials to Applications,” Technologies, vol. 7, no. 2, p. 35, 2019, doi: 10.3390/technologies7020035.
  19. L. Donaldson, “Smart tattoo: Electronic materials,” Mater. Today, vol. 14, no. 10, p. 461, Oct. 2011, doi: 10.1016/S1369-7021(11)70208-5.
  20. J. Han et al., “Nanocellulose-templated assembly of polyaniline in natural rubber-based hybrid elastomers toward flexible electronic conductors,” Ind. Crops Prod., vol. 128, pp. 94–107, Feb. 2019, doi: 10.1016/J.INDCROP.2018.11.004.
  21. M. Khalifa, G. Wuzella, H. Lammer, and A. R. Mahendran, “Smart paper from graphene coated cellulose for high-performance humidity and piezoresistive force sensor,” Synth. Met., vol. 266, no. April, p. 116420, 2020, doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116420.
  22. Y. Ma et al., “Flexible and highly‐sensitive pressure sensor based on controllably oxidized MXene,” InfoMat, no. February, pp. 1–12, 2022, doi: 10.1002/inf2.12328.
  23. H. Tai, S. Wang, Z. Duan, and Y. Jiang, “Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges,” Sensors Actuators B Chem., vol. 318, p. 128104, Sep. 2020, doi: 10.1016/J.SNB.2020.128104.
  24. X. Guan et al., “Flexible humidity sensor based on modified cellulose paper,” Sensors Actuators, B Chem., vol. 339, no. April, 2021, doi: 10.1016/j.snb.2021.129879.
  25. Lapshuda V.A., Koval V.M. “Flexible and biodegradable sensors: materials, manufacturing technology and devices based on it” KPI Sci. News., №.2, pp 16-27, 2021, doi:10.20535/kpisn.2021.2.229964
  26. A. Kafy, A. Akther, M. I. R. Shishir, H. C. Kim, Y. Yun, and J. Kim, “Cellulose nanocrystal/graphene oxide composite film as humidity sensor,” Sensors Actuators A Phys., vol. 247, pp. 221–226, Aug. 2016, doi: 10.1016/J.SNA.2016.05.045.
  27. L. Huang, Y. Yang, P. Ti, G. Su, and Q. Yuan, “Graphene oxide quantum dots attached on wood-derived nanocellulose to fabricate a highly sensitive humidity sensor,” Carbohydr. Polym., vol. 288, p. 119312, Jul. 2022, doi: 10.1016/J.CARBPOL.2022.119312.
  28. X. Meng, J. Yang, Z. Liu, W. Lu, Y. Sun, and Y. Dai, “Non-contact, fibrous cellulose acetate/aluminum flexible electronic-sensor for humidity detecting,” Compos. Commun., vol. 20, p. 100347, Aug. 2020, doi: 10.1016/J.COCO.2020.04.013.
  29. B. Wang, J. Zhou, Z. Wang, S. Mu, R. Wu, and Z. Wang, “Cellulose nanocrystal/plant oil polymer composites with hydrophobicity, humidity-sensitivity, and high wet strength,” Carbohydr. Polym., vol. 231, p. 115739, Mar. 2020, doi: 10.1016/J.CARBPOL.2019.115739.
  30. V. Koval, V. Barbash, M. Dusheyko, V. Lapshuda, O. Yashchenko, and Y. Yakimenko, “Application of Nanocellulose in Humidity Sensors for Biodegradable Electronics,” Proc. 2020 IEEE 10th Int. Conf. "Nanomaterials Appl. Prop. N. 2020, pp. 9–13, 2020, doi: 10.1109/NAP51477.2020.9309598.
  31. P. Zhu et al., “Electrostatic self-assembly enabled flexible paper-based humidity sensor with high sensitivity and superior durability,” Chem. Eng. J., vol. 404, p. 127105, Jan. 2021, doi: 10.1016/J.CEJ.2020.127105.
  32. A. Kafy, A. Akther, M. I. R. Shishir, H. C. Kim, Y. Yun, and J. Kim, “Cellulose nanocrystal/graphene oxide composite film as humidity sensor,” Sensors Actuators A Phys., vol. 247, pp. 221–226, Aug. 2016, doi: 10.1016/J.SNA.2016.05.045.
  33. D. H. Ho, Q. Sun, S. Y. Kim, J. T. Han, D. H. Kim, and J. H. Cho, “Stretchable and Multimodal All Graphene Electronic Skin,” Adv. Mater., vol. 28, no. 13, pp. 2601–2608, 2016, doi: 10.1002/adma.201505739.
  34. H. Tai, S. Wang, Z. Duan, and Y. Jiang, “Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges,” Sensors Actuators B Chem., vol. 318, p. 128104, Sep. 2020, doi: 10.1016/J.SNB.2020.128104.
  35. R. R. Silva et al., “Microbial nanocellulose adherent to human skin used in electrochemical sensors to detect metal ions and biomarkers in sweat,” Talanta, vol. 218, no. January, p. 121153, 2020, doi: 10.1016/j.talanta.2020.121153.
  36. A. S. Santhosh et al., “A multianalyte electrochemical sensor based on cellulose fibers with silver nanoparticles composite as an innovative nano-framework for the simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine and paracetamol,” Surfaces and Interfaces, vol. 26, p. 101377, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.SURFIN.2021.101377.
  37. K. Neubauerova, M. C. C. G. Carneiro, L. R. Rodrigues, F. T. C. Moreira, and M. G. F. Sales, “Nanocellulose- based biosensor for colorimetric detection of glucose,” Sens. Bio-Sensing Res., vol. 29, no. July, p. 100368, 2020, doi: 10.1016/j.sbsr.2020.100368.
  38. J. Wu, Y. Feng, L. Zhang, and W. Wu, “Nanocellulose-based Surface-enhanced Raman spectroscopy sensor for highly sensitive detection of TNT,” Carbohydr. Polym., vol. 248, no. July, p. 116766, 2020, doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116766.
  39. C. Ruiz-Palomero, M. L. Soriano, and M. Valcárcel, “Gels based on nanocellulose with photosensitive ruthenium bipyridine moieties as sensors for silver nanoparticles in real samples,” Sensors Actuators B Chem., vol. 229, pp. 31–37, Jun. 2016, doi: 10.1016/J.SNB.2016.01.098.
  40. F. Hu, Y. Li, Y. Zhang, Y. Li, H. Li, and S. Ai, “Flexible Ag NCs/CNFs film for colorimetric and SERS dual-mode ultrasensitive detection of mercury ions (II),” Vib. Spectrosc., vol. 118, p. 103342, Jan. 2022, doi: 10.1016/J.VIBSPEC.2022.103342.
  41. M. M. Langari, M. M. Antxustegi, and J. Labidi, “Nanocellulose-based sensing platforms for heavy metal ions detection: A comprehensive review,” Chemosphere, vol. 302, p. 134823, Sep. 2022, doi: 10.1016/J.CHEMOSPHERE.2022.134823.
  42. R. Song, Q. Zhang, Y. Chu, L. Zhang, H. Dai, and W. Wu, “Fluorescent cellulose nanocrystals for the detection of lead ions in complete aqueous solution,” Cellulose, vol. 26, no. 18, pp. 9553–9565, 2019, doi: 10.1007/s10570-019-02760-y.
  43. P. Lv et al., “Self-assembly of nitrogen-doped carbon dots anchored on bacterial cellulose and their application in iron ion detection,” Carbohydr. Polym., vol. 172, pp. 93–101, Sep. 2017, doi: 10.1016/J.CARBPOL.2017.04.086.
  44. K. Zinoubi, H. Majdoub, H. Barhoumi, S. Boufi, and N. Jaffrezic-Renault, “Determination of trace heavy metal ions by anodic stripping voltammetry using nanofibrillated cellulose modified electrode,” J. Electroanal. Chem., vol. 799, pp. 70–77, Aug. 2017, doi: 10.1016/J.JELECHEM.2017.05.039.
  45. Y. Yue, J. Gu, J. Han, Q. Wu, and J. Jiang, “Effects of cellulose/salicylaldehyde thiosemicarbazone complexes on PVA based hydrogels: Portable, reusable, and high-precision luminescence sensing of Cu2+,” J. Hazard. Mater., vol. 401, p. 123798, Jan. 2021, doi: 10.1016/J.JHAZMAT.2020.123798.
  46. W. M. E. M. M. Daniyal, Y. W. Fen, J. Abdullah, A. R. Sadrolhosseini, S. Saleviter, and N. A. S. Omar, “Label-free optical spectroscopy for characterizing binding properties of highly sensitive nanocrystalline cellulose-graphene oxide based nanocomposite towards nickel ion,” Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc., vol. 212, pp. 25–31, Apr. 2019, doi: 10.1016/J.SAA.2018.12.031.
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

МЕТОДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЦІЛІСНОСТІ ОБРОБКИ ТА ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ У ПРОМИСЛОВИХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦІЇ

Ярослав Корпань, Євген Федоров, Ольга Нечипоренко

Проблематика. Сучасні промислові системи контролю характеризуються високим рівнем інтеграції інформаційних і фізичних процесів та використанням розподілених…

#промислові системи автоматизації #SCADA-системи #цілісність даних #кібербезпека ICS
10.20535/kpisn.2026.3.361520

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧНОГО СИНТЕЗУ ЗУМ-АФОКАЛЬНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ НЕРУХОМИХ ВАРІОЛІНЗ

Ігор Г. Чиж

Проблематика Зум-оптичні системи, в яких використовуються механічно нерухомі електрично керовані варіолінзи, не можуть вважатися такими, що мають нерухомі оптичні…

#зум-афокальні системи #головні точки варіолінз #синтез зум-афокальних систем #стабільна афокальність зум-системи
10.20535/kpisn.2026.3.351645

МОДИФІКАЦІЯ НЕЙРОМЕРЕЖЕВОГО МЕТОДУ SPINN ДЛЯ НАБЛИЖЕНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ МІШАНОЇ ЗАДАЧІ ДЛЯ РІВНЯННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ В ЕЛІПТИЧНІЙ ОБЛАСТІ

Валерій Лось, Олександр Ряхін

Проблематика. Параболічні диференціальні рівняння є математичними моделями інженерії, призначеними для дослідження широкого кола прикладних задач. Це приводить до…

#рівняння теплопровідності #мішана параболічна задача #еліптична область #фізико-інформативна нейронна мережа
10.20535/kpisn.2026.3.367316

Схожі статті

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.