不僅能阻燃還能報警!上海科技大學開發新型“離子導體”

生物體主要通過離子傳導電流,而人造機器主要利用電子傳導電流。隨著柔性可穿戴設備快速發展,學者們在電子皮膚electronic skin(e-skin)的基礎上,研發瞭ionotronic skin(i-skin)材料。作為潛在應用於人機交互界面的材料,其安全性十分重要。

近日,上海科技大學凌盛傑課題組,以天然的蠶絲蛋白和鈣離子為原料,制備瞭一種透明,可拉伸,可自修復,高安全性的導電i-skin。這種材料顯示出很好的阻燃特性。研究團隊深度探究阻燃機理,並開發瞭一種在極端條件下可以通過無線信號傳遞信息的預警系統。為進一步提升可穿戴設備安全性、為新型離子皮膚的設計提供瞭新的靈感。

不僅能阻燃還能報警!上海科技大學開發新型“離子導體”
圖1:SFCIS的制備與展示

為制備絲素蛋白鈣離子導體(SFCIS),作者采用瞭兩種不同的制備方法,以滿足不同應用場景的需求。SFCIS具有高透明性,通過調控鈣離子含量可以控制SFCIS在環境中的力學性能,使其與生物組織模量相當,同時在環境溫度濕度下具有良好的可拉伸性質(伸長率高達1200%)和導電性(1.96 mS·cm-1)以滿足可穿戴器件的需求。在水蒸氣氣氛中,SFCIS具有很好的自愈性能。

鈣離子的引入,為材料提供與環境中物質交換的能力,保持瞭材料體系中結合水的穩定。結合水的存在,一方面為材料提供瞭大量氫鍵,使其具有較高的韌性和可自愈能力。另一方面,在材料暴露在燃燒環境下時,材料中由於鈣離子螯合水的存在,使材料表面在接觸火焰的第一時間吸熱,氣化,並迅速形成膨脹,對內部基底形成保護。因此這類復合薄膜具有很好的阻燃特性。

不僅能阻燃還能報警!上海科技大學開發新型“離子導體”
圖2:SFCIS的阻燃機理及燃燒表面的SEM圖

為瞭探究瞬間燃燒過程中材料發生的化學反應,該團隊運用熱質聯用(TGA-MS)表征手段,精確分析瞭不同燃燒反應階段下的材料各組分的變化,從而推測阻燃過程包括:脫水過程;碳化層膨脹過程;多層屏蔽過程和自由基淬滅過程。在極限氧指數測試的實驗中,SFCIS表現出媲美工程塑料的阻燃性能。並且在燃燒實驗中SFCIS不會發生復燃,熔滴等二次危害行為,可保障器件的在火災環境下的安全性。

不僅能阻燃還能報警!上海科技大學開發新型“離子導體”
圖3:SFCIS的應用展示及原理介紹

由於SFCIS具有一定的粘附性,將其黏附在易燃物質表面,進行燃燒實驗。在SFCIS保護下,易燃材料在火焰下可以更長時間的維持狀態,而不易被燃燒分解。實際應用中,該團隊還基於SFCIS隨燃燒程度電導率的變化,開發出一種火災無線預警系統。

總的來說,該研究利用簡單的制備方法,制備出基於天然蠶絲蛋白的離子導體材料,具有良好的導電性、可調的力學性質、自修復性,和阻燃性。為研究這類材料燃燒機制提供瞭可行的方案,也為一類基於離子導體的新型人造皮膚設計提供瞭新的思路,對提升可穿戴設備安全性有重要的啟示。

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