在過去的幾十年裡，各種電致發光器件，特別是柔性的電致發光器件被廣泛應用於平板顯示、大型裝飾、標誌顯示照明、光學信號等領域。交流電流型電致發光器件（ACEL），與直流發光器件相比，具有功耗低、發光均勻、製作方便等優點。並且其能量轉換效率非常高，產生的熱量也少得多，使得其有望集成到可穿戴電子設備(如電子皮膚)中。
為了實現可穿戴電子設備需求，柔性ACEL器件的製備需要開發柔性、透明的基底，並與發光材料集成。目前大多數電致發光器件和電子顯示屏使用表面光滑、光學透明度高的塑料作為柔性襯底。但隨著塑料的廣泛使用，大量塑料垃圾的填埋和焚燒，造成地下水和空氣的嚴重汙染，極大破壞我們的生態環境。因此，尋找一種綠色、經濟環保的材料來替代透明塑料已迫在眉睫。
魚鱗作為不可食用的廢物，佔7050萬噸魚年產量的3%左右。魚膠可以從魚鱗中提取，是由膠原蛋白水解產生的可生物降解的大分子組成，約佔魚鱗的40-55%，使其具有可持續性、低成本和生態友好性。此外，由於魚膠內部肌原纖維蛋白的存在，魚膠具有良好的成膜性，並且製備過程綠色環保。因此，這些優點促使魚膠有望應用於柔性電子領域。
近日，南京工業大學先進材料研究院黃維院士、劉舉慶教授和於海東教授團隊開發了基於透明魚膠薄膜的柔性瞬態ACEL器件。製得的魚膠薄膜具有良好的柔性，可見光透射率高達91.1%，並可在24天內在土壤中完全降解。作者通過在魚膠膜上沉積銀納米線，成功製備了一種柔性、透明的薄膜電極。電極方塊電阻低至22.4Ω/sq，並保持82.3%透光率。基於銀納米線-魚膠薄膜電極的柔性ACEL器件在300 V電壓(頻率為400 Hz)工作條件下的發光強度為56.0 cd m-2，並顯示出良好的柔韌性以及生物可降解性。該工作以題目為“Sustainable and Transparent Fish Gelatin Films for Flexible Electroluminescent Devices”發表在《ACS Nano》上。
【圖文講解】
圖1魚膠薄膜的製備過程
如圖1所示，魚膠薄膜的製備主要採用溶液澆鑄法：魚鱗經過清洗和酸鹼預處理，形成膜溶液；然後將溶液倒入培養皿中，乾燥後成膜，並且魚膠膜的厚度和柔性通過製備過程易於調節。
圖2魚膠薄膜的透明度和表面粗糙度
在這項工作中，魚膠薄膜被用作透明電極的柔性襯底，無論是肉眼辨識透明度，還是紫外可見光譜研究，都表明魚膠薄膜和柔性PET、玻璃紙薄膜的透明度都相當。甚至紫外可見光譜結果更加表明，魚膠薄膜在整個可見光譜範圍內的透光率高達91.1%，略大於PET和玻璃紙薄膜的透光率。而襯底的表面粗糙度也是柔性電子特別是高性能ACEL器件的另一個重要參數。經原子力顯微鏡測量發現，魚膠薄膜表面粗糙度（0.5 nm）與PET（0.4 nm）相當，同時遠低於玻璃紙薄膜(3.2 nm)，是一種極具潛力的柔性電子元件集成材料（圖2）。
圖3 魚膠薄膜的可摺疊性和抗有機溶劑性能
除了較高的透明度、較低的粗糙度，魚膠薄膜良好的柔性以及化學穩定性也為應用於高效ACEL器件提供有利保障。在曲率半徑為0.9 mm的情況下，薄膜可以彎曲，並且彎曲後的薄膜很容易恢復，甚至可以將薄膜摺疊成複雜的形狀。此外，魚膠薄膜在不同的有機溶劑中浸泡24小時後，仍然保持其原始形狀，沒有任何損傷，顯示出良好的化學穩定性（圖3）。
圖4魚膠薄膜的可回收性以及可生物降解性
魚膠薄膜還具有良好的可回收性和可生物降解性（圖4）。將製備好的魚膠膜在水中再溶解，用同樣的溶液澆鑄方法可以製備出新的膜。再溶解和成膜過程可以重複許多週期，並且其透光率沒有明顯變化，說明了薄膜具有高可回收性。此外，與之前用於柔性ACEL器件的不可降解聚合物相比，魚膠薄膜是一種可生物降解的膠原衍生物，具有良好的可生物降解性，可以有效降低環境汙染和廢棄物處理成本，符合現代社會對可持續發展的追求。
圖5 基於魚膠薄膜製備的柔性ACEL器件結構及性能
作者通過噴塗法將銀納米線與魚膠薄膜複合，製得銀納米線-魚膠薄膜電極。基於銀納米線-魚膠薄膜電極的高柔韌性、可降解性、良好的透明性和良好的導電穩定性等優點，本工作將其應用於柔性ACEL器件（圖5）。當工作電壓為300 V，頻率為400 Hz時，該器件亮度可達56 cd m-2。同時，器件具有良好的柔性，即使在彎曲時也具有較高的發射穩定性。並且經過1000次彎曲循環，發射強度也沒有明顯的下降。更有趣的是，由於其高透明度，柔性器件可以從電極的兩側發射，這與傳統的只允許一面發射的發光器件有很大的不同。而選擇不同的熒光粉，調節混合熒光粉的重量比，可以合理地實現明亮的多色發光。此外，該裝置可以在水中完全溶解，說明該策略提供了一種不含有害副產物和電子垃圾的環保光電產品。
【總結】
本文所提出的高度透明的魚膠薄膜不僅製備工藝簡單環保、成本低廉，同時薄膜具有良好的柔韌性、良好的透明性、生物可降解性以及良好的化學穩定性。並且該薄膜在柔性電致發光器件應用方面表現出優異的性能，具有廣泛的應用前景。同時，這項工作也表明，魚膠薄膜作為一種極具潛力的柔性材料，有望應用於柔性電子領域的其他應用方面。
原文鏈接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b09880
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