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除了彈性十足、受傷能自動修復(fù)，遇到高溫燃燒還可以阻燃，同時傳遞信號連接無線終端實施預(yù)警。這些特性屬于一種新型離子皮膚材料，由上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與生命學(xué)院凌盛杰研究員課題組研制成功。課題組還利用這些特性開發(fā)出一種在極端條件下可通過無線信號傳遞預(yù)警信息的報警系統(tǒng)。這是7月16日記者在采訪凌盛杰課題組時了解到的信息。
新興領(lǐng)域備受關(guān)注
近年來柔性傳感器在可穿戴電子設(shè)備、觸摸屏等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用備受關(guān)注。凌盛杰表示，離子皮膚其實就是使用離子液體、離子凝膠、水凝膠等材料作為彈性電介質(zhì)的一類柔性傳感器，旨在模仿人類皮膚感知外部刺激。在上述3類離子皮膚中，最受關(guān)注的是水凝膠離子皮膚。
凌盛杰課題組以天然絲素蛋白（SF）和鈣離子為原料，通過不同的合成策略，制備出一種透明、可拉伸、可自修復(fù)、高生物安全、可阻燃且導(dǎo)電的離子皮膚材料（SFCIS）。
“離子皮膚由聚合物網(wǎng)絡(luò)和離子導(dǎo)電成分組成，前者作為框架使離子皮膚呈現(xiàn)彈性固體的形態(tài)，滿足柔性需求；后者可依離子導(dǎo)電的特征對外部環(huán)境改變做出電信號響應(yīng)。”凌盛杰介紹說，“我們使用天然生物大分子蠶絲作為離子導(dǎo)體凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)框架材料，使得SFCIS具有高透明性和良好柔性，通過調(diào)控鈣離子含量可以控制SFCIS在不同環(huán)境中的力學(xué)性能。比如，在高濕度環(huán)境中，SFCIS具有良好的黏附性和自愈性；也可在不同溫度和濕度下保持良好的拉伸特性，伸長率高達(dá)1200%.此外，其導(dǎo)電性可達(dá)1.96毫西門子每厘米，符合人體穿戴的安全需求。”
阻燃特性值得探索
在此基礎(chǔ)上，課題組還發(fā)現(xiàn)離子皮膚的獨特阻燃特性，并對其阻燃機理進(jìn)行了探索。凌盛杰介紹說，燃燒往往發(fā)生在一瞬間，為了探究燃燒過程中材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程，他們分析了不同反應(yīng)階段下的材料組分變化。通過對比純絲蛋白體系和SFCIS體系的圖譜后，他們發(fā)現(xiàn)在鈣離子加入后，SFCIS中發(fā)生了一系列阻燃過程，包括脫水、碳化層膨脹、多層屏蔽和自由基淬滅。同時，在火焰炙燒下，SFCIS的電阻值會在初始期快速下降，并維持一段較長的穩(wěn)定期，期間仍然可以導(dǎo)電。
基于這種獨特的性質(zhì)，研究團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)出一種通過無線信號傳遞預(yù)警信息的火災(zāi)報警系統(tǒng)。他們利用熱質(zhì)聯(lián)用TGA-MS技術(shù)，配合對燃燒過程的氣體、形貌分析，分析材料的阻燃及燃燒機制。經(jīng)實驗測試得到了極限氧指數(shù)為43%，發(fā)現(xiàn)蠶絲蛋白高于大多數(shù)常用的彈性高分子。
由此，這種可阻燃的離子皮膚既能避免電器失火的危險，也能在火災(zāi)預(yù)警上有所作為。
工業(yè)化應(yīng)用前景好
對于可能的應(yīng)用前景，凌盛杰表示，由于離子導(dǎo)電的特性，這種離子皮膚的電阻會隨溫度、濕度等因素變化，可以設(shè)計為傳感器用于監(jiān)測環(huán)境因素的變化，應(yīng)用于條件較極端的環(huán)境（如火災(zāi)預(yù)警）。它也可以直接作為阻燃隔層使用，用于應(yīng)對森林火情等。
凌盛杰表示，這項成果為研究同類材料的燃燒機制提供了可行方案，也為基于離子導(dǎo)體的新型人造皮膚設(shè)計提供了新思路，對提升可穿戴設(shè)備安全性有重要的啟示。
此外，離子皮膚還具有很好的生物相容性、降解性、無毒性以及水凝膠本身的保濕性，可作為保鮮涂層使用。
在工業(yè)化應(yīng)用上，這種離子皮膚的制備過程非常簡單，不需要高溫高壓等特殊條件。制備出的材料可利用水達(dá)到增塑效果，易于加工。另外，由于其具有環(huán)境友好性，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不會帶來環(huán)境污染，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
