自修复纳米纤维传感器可对冷供应链物流实现温度监控

　　一般情况下，食品和药品等易腐货物，在制造、储存和运输过程中必须要保持在一定的低温范围内，这样才能防止降解和变质。而称为时间-温度指示器（TTI）的小型设备用于检测和记录整个冷供应链中的温度变化。不幸的是，传统的TTI在许多实际应用中的应用非常有限。例如，基于扩散的TTI易受强制冲击、穿孔和切割的影响；以化学反应为基础的TTI价格昂贵，有可能造成化学品泄漏。

　　为了解决这些问题，韩国化学技术研究所（KRICT）的研究人员制作了一种新型的时间-温度传感器，它使用了一种自修复材料。这种传感器只需要一种单相材料，并且由于其自身的固有特性而起作用。

　　研究人员指出：“与传统的TTI相比，我们开发的产品在各个方面都具有优越的特性。我们的TTI即使在受到强制冲击、刺穿、高负荷甚至割伤后也能发挥作用。此外，它具有高度的灵活性，不存在化学品泄漏的风险，而且具有成本效益。”

　　作为团队的第一作者，崔世珍与资深合著者黄圣妍和朴智英在内的研究小组在《先进材料》杂志上发表了文章《一种用于确保冷供应链安全的基于自修复纳米纤维的自响应时间温度指示器》，在文章中报告了他们基于电纺、自修复、纳米纤维非织造材料的TTI。

　　使用自修复纳米纤维制造的创新型TTI。表面积随时间和温度的变化以及相应的透光率受热力学自由能流的驱动，并且在与易腐烂食品变质相同的时间尺度上运行。图片：KRICT

　　这种新型TTI的功能是基于一种自修复材料的独特特性，即其表面积随温度和时间的降低在与易腐烂食品变质的时间范围内减小，因为表面积与热力学自由能成比例。

　　“为实现这一想法，我们使用了我们最近报道的《高级材料——由透明弹性体设计的室温下优异的韧性和快速自修复》中的自修复材料，它是一种芳香族二硫化物基热塑性聚氨酯（TPU），在室温下可有效工作，并具有卓越的机械性能。为了最大程度地增加其表面积并获得灵活薄的形式，我们将自修复材料电纺成非织造纳米纤维毡。”

　　自修复聚合物是目前在研究人员中非常流行的高级材料。它们的特征之一就是精巧地减少了表面积，而纳米纤维是表面积最大的材料。通过在一个设备中结合这两种对比特性，基于自我修复的纳米纤维的TTI会随着时间的流逝经历不可逆且剧烈的相变行为，以稳定热力学自由能。

　　研究人员指出，自修复聚合物被广泛用于研究中，但是迄今为止，从未报道过使用纯自修复材料制造纳米纤维的过程。为此，该团队首次成功地从自修复弹性体到静电纺丝制造了单组分纳米纤维。由于光的反射和散射，电纺非织造材料通常是不透明的。然而，随着时间的推移，KRICT团队开发的不透明纳米纤维毡在特定温度以上逐渐变得透明。

显示器和纳米纤维垫在20°C下经过24小时的时间-温度相关变化的SEM图像。图片：KRICT

　　在展示了他们的TTI设备在两种不同温度下的基本功能时，冷藏食品的温度为2℃，冷冻食品的温度为-20℃，研究人员现在正在努力进行必要的改进，以检测各种温度范围，从而制造出TTI适用于实际物流应用。目前制备方法的一个局限是静电纺丝不太适合大规模生产。为了解决这个问题，研究小组正在考虑各种解决方案，包括熔喷纺纱。

　　研究人员总结道：“与电子设备相比，我们的设备中使用的刺激响应材料类型具有成本效益，并且易于制造。但是，它们往往缺乏敏感性，只能提供有限的信息。我们正在进行的研究工作着眼于解决这些局限性。”

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