生物体主要通过离子传导电流,而人造机器主要利用电子传导电流。随着柔性可穿戴设备快速发展,学者们在电子皮肤electronic skin(e-skin)的基础上,研发了ionotronic skin(i-skin)材料。作为潜在应用于人机交互界面的材料,其安全性十分重要。

近日,上海科技大学凌盛杰课题组,以天然的蚕丝蛋白和钙离子为原料,制备了一种透明,可拉伸,可自修复,高安全性的导电i-skin。这种材料显示出很好的阻燃特性。研究团队深度探究阻燃机理,并开发了一种在极端条件下可以通过无线信号传递信息的预警系统。为进一步提升可穿戴设备安全性、为新型离子皮肤的设计提供了新的灵感。

不仅能阻燃还能报警!上海科技大学开发新型“离子导体”
图1:SFCIS的制备与展示

 

为制备丝素蛋白钙离子导体(SFCIS),作者采用了两种不同的制备方法,以满足不同应用场景的需求。SFCIS具有高透明性,通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在环境中的力学性能,使其与生物组织模量相当,同时在环境温度湿度下具有良好的可拉伸性质(伸长率高达1200%)和导电性(1.96 mS·cm-1)以满足可穿戴器件的需求。在水蒸气气氛中,SFCIS具有很好的自愈性能。

钙离子的引入,为材料提供与环境中物质交换的能力,保持了材料体系中结合水的稳定。结合水的存在,一方面为材料提供了大量氢键,使其具有较高的韧性和可自愈能力。另一方面,在材料暴露在燃烧环境下时,材料中由于钙离子螯合水的存在,使材料表面在接触火焰的第一时间吸热,气化,并迅速形成膨胀,对内部基底形成保护。因此这类复合薄膜具有很好的阻燃特性。

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图2:SFCIS的阻燃机理及燃烧表面的SEM图

 

为了探究瞬间燃烧过程中材料发生的化学反应,该团队运用热质联用(TGA-MS)表征手段,精确分析了不同燃烧反应阶段下的材料各组分的变化,从而推测阻燃过程包括:脱水过程;碳化层膨胀过程;多层屏蔽过程和自由基淬灭过程。在极限氧指数测试的实验中,SFCIS表现出媲美工程塑料的阻燃性能。并且在燃烧实验中SFCIS不会发生复燃,熔滴等二次危害行为,可保障器件的在火灾环境下的安全性。

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图3:SFCIS的应用展示及原理介绍

 

由于SFCIS具有一定的粘附性,将其黏附在易燃物质表面,进行燃烧实验。在SFCIS保护下,易燃材料在火焰下可以更长时间的维持状态,而不易被燃烧分解。实际应用中,该团队还基于SFCIS随燃烧程度电导率的变化,开发出一种火灾无线预警系统。

总的来说,该研究利用简单的制备方法,制备出基于天然蚕丝蛋白的离子导体材料,具有良好的导电性、可调的力学性质、自修复性,和阻燃性。为研究这类材料燃烧机制提供了可行的方案,也为一类基于离子导体的新型人造皮肤设计提供了新的思路,对提升可穿戴设备安全性有重要的启示。

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