凌盛杰课题组利用天然蚕丝研发防火预警功能离子皮肤

时间:2020-06-11浏览:14设置

你是否曾在科幻电影或小说里看到,未来人工智能机器人的皮肤,除了具有非常好的弹性,受伤也会自动修复,遇到高温燃烧能够阻燃,同时传递信号、连接无线终端实施预警。上海科技大学物质学院凌盛杰课题组近期开发的新型离子皮肤材料i-skin,将未来照进现实。该研究也得到了媒体的广泛关注和报道。

近日,我院凌盛杰课题组在国际期刊《ACS Materials Letters》发表了题为“Flame-Retardant and Sustainable Silk Ionotronic Skin for Fire Alarm Systems”的科研成果。该成果由上科大物质学院凌盛杰团队独立完成,2019级硕士研究生刘强为第一作者,2016级本科生杨硕为第二作者。

生物体通过离子运输实现信号传递。研究以天然丝素蛋白(SF)和钙离子为原料,通过不同的合成策略,制备出一种透明、可拉伸、可自修复、高生物安全、可阻燃且导电的离子皮肤材料i-skin:SF/Ca2+ i-skins (SFCIS),并开发了一种在极端条件(火灾)下可以通过无线信号传递预警信息的报警系统。相关工作补充了近年来可穿戴设备防火安全性研究中的欠缺,并为人工皮肤的设计提供新的灵感。

SFCIS的组成及火灾报警、阻燃原理

SFCIS制备方法简单,可大规模应用生产。SFCIS本身具有高透明性和良好的柔性,通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在不同环境中的力学性能。高湿度环境中,SFCIS具有很好的粘附性和自愈性能。也可达到在不同温度和湿度下良好的可拉伸性质,伸长率高达1200%,匹配力学模量与生物组织模量相当,同时导电性可达1.96 mS·cm-1,以满足可穿戴器件的需求。

钙离子使材料具备了与环境物质交换的能力,保持了SFCIS体系中结合水的稳定。钙离子螯合水的存在,一方面提供了大量氢键,使材料具有较高的韧性和可自愈能力。另一方面,在材料暴露在火灾环境下时,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。

燃烧往往发生在一瞬间,为了探究燃烧过程中材料发生的化学反应过程,研究人员采用热质联用(TGA-MS)的表征手段,分析了不同反应阶段下的材料组分的变化。通过对比纯丝蛋白体系和SFCIS体系的图谱可以清晰得出,钙离子的加入后,SFCIS中发生了一系列阻燃过程,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。这些过程解释了SFCIS在火焰下形貌变化的原因。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,极限氧指数LOI高达43%。在燃烧实验中SFCIS不会发生复燃、熔滴等二次危害行为,提升了系统的在火灾环境下的安全性。这些阻燃机制和过程可以在TGA-MS测试以及傅里叶红外(FTIR)及SEM中被定性观察并分析。

SFCIS的阻燃机理:a) SFCIS燃烧过程中的化学反应。b)SFCIS阻燃机理示意图:(i)脱水、(ii)多层热屏蔽、(iii)气相稀释和(iv)自由基猝灭的协同作用。c)SFCIS燃烧过程的光学图片和不同燃烧阶段SFCIS截面的扫描电镜(SEM)图像。(i)初始阶段,(ii)脱水阶段,(iii)碳化膨胀阶段。

研究人员进一步探究极端条件下SFCIS离子导体的电学行为。火焰炙烧下,SFCIS的电阻值会在初始期快速下降,并维持一段较长的稳定期,期间仍然可以导电。基于这种特殊的性质,研究团队设计开发出一种可以无线传递信息的火灾报警系统。此外,由于材料具有一定的粘附性,可将材料黏附在易燃物质表面,并进行燃烧实验。在SFCIS保护下,易燃材料在火焰下可以长时间的维持力学形貌,而不被燃烧分解,同时仍然可以为系统提供火灾报警信息。

SFCISs的应用。a) SFCIS整个燃烧过程。b)燃烧过程中0.48 mm厚SFCIS的电阻变化。c) 0.80 mm厚SFCIS在燃烧过程中的电阻变化。d)基于无线的火灾报警系统集成电路设计。

视频:涂有SFCIS的木片引发火警报警展示

总结来说,该研究利用简单的方法,制备出基于天然蚕丝蛋白的离子导体膜,具有良好的导电性、可调控的力学性质、自修复性和阻燃性。这项成果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。

这项研究由物质学院2019级硕士研究生刘强和2016级本科生杨硕合作完成,也是杨硕同学本科毕业设计的一部分。研究过程中,他们对科研也有了更深的理解。

刘强同学表示:“在这次研究中,燃烧过程的原理如何定性表征一度成为实验进度的瓶颈,但是在研究生课堂上,我了解了TGA-MS联用的表征手段,实验结果得到了老师的肯定。这项成果能在《ACS Materials Letters》发表,离不开凌盛杰老师专业细致的指导和课题组宽松自由的科研环境。而上科大本科生的科研能力也是让人惊讶的,我的师弟杨硕,在这次研究中同样发挥了重要的作用。这次成果顺利的发表给了我极大信心,相信我会在科研道路上越走越远。

对此,杨硕同学也有自己的感悟:“四年前选择上科大无疑是明智的,很幸运可以在凌老师课题组开始了我的科研之路,作为2016级的本科生,马上就要进入研究生的学习,留在上科大依然是我的选择。上科大确确实实给我带来了极大的改变,我很感激上科大,我人生中最美好的时光都属于这里。而对于这次科研成果,很感激凌老师和任老师的辛勤付出,以及刘强师兄的悉心帮助。我现在很有信心面对即将到来的研究生生活。”

左起:凌盛杰教授、刘强,杨硕,任婧研究员

该研究得到了国家自然科学基金、上海浦江人才计划、上海科技大学启动基金的资助。同时获得上科大电镜中心、上科大分析测试中心和学生创新中心的技术支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.0c00062




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