物質(zhì)學(xué)院凌盛杰課題組與合作者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)蠶絲納米纖維基阻燃報(bào)警離子導(dǎo)體皮膚

近日，上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰課題組和合作者在基于蠶絲蛋白納米纖維的離子導(dǎo)體皮膚上取得進(jìn)展：通過(guò)采用高效的氣流輔助靜電紡絲方法制備出了具有優(yōu)異阻燃效應(yīng)和火情預(yù)警功能的蠶絲納米纖維/石墨烯多功能電子皮膚。該成果以“Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm”為題，在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上在線(xiàn)發(fā)表。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能機(jī)器人已從科幻小說(shuō)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活。作為智能機(jī)器人重要組成部分的電子皮膚也受到關(guān)注。在眾多材料中，納米纖維材料因具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)、超薄靈活、透氣性好等特點(diǎn)，在電子皮膚領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但目前制備納米纖維材料所采用的靜電紡絲方法面臨產(chǎn)量過(guò)低以及材料環(huán)保性能差等問(wèn)題。凌盛杰課題組以天然絲蛋白與石墨烯為原材料，通過(guò)高效的氣流輔助靜電紡絲方式制備了由絲蛋白納米纖維離子導(dǎo)體和石墨烯片共同構(gòu)成了多級(jí)結(jié)構(gòu)的電子皮膚。與一般靜電紡絲方法顯著不同的是，論文中介紹的方法受溶液導(dǎo)電性影響較小，可實(shí)現(xiàn)高鹽離子含量聚合物的紡絲，且對(duì)纖維聚集體的結(jié)構(gòu)具有較好的操控性，其紡絲效率通�？蛇_(dá)到普通電紡絲的5-10倍。

圖 | 基于蠶絲蛋白納米纖維的離子導(dǎo)體電子皮膚設(shè)計(jì)

氣流輔助式電紡絲方法所制備的電子皮膚具有良好的力學(xué)性能和可拉伸性能，且其具有濕度響應(yīng)的自黏附性能，可貼附于各種物體表面，如纖維素紙、PET板、木頭等，顯示出很好的黏附牢度。同時(shí)，基于凌盛杰課題組之前對(duì)絲蛋白基離子導(dǎo)體防火功能的研發(fā)工作, 這種納米纖維離子導(dǎo)體皮膚同樣展現(xiàn)出非常好的阻燃特性。

圖 | 絲蛋白電子皮膚的貼輔阻燃效果（未貼敷保護(hù)的部分在遇火后則直接燃燒）

與普通的阻燃材料不同的是，這類(lèi)電子皮膚還具有良好的溫濕度變化響應(yīng)。將其接入電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，在遇明火接觸的時(shí)候，有效阻止火焰蔓延、迅速且穩(wěn)定傳遞出特征信號(hào)，從而達(dá)到防護(hù)與預(yù)警同步的功能。由此開(kāi)發(fā)了一套具有本地-云端-移動(dòng)終端聯(lián)動(dòng)的火情預(yù)警系統(tǒng)，材料可在接觸火焰后2秒內(nèi)迅速觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)三終端同時(shí)報(bào)警的功能。此外，可將所制備的電子皮膚集成于機(jī)器人手部，在遇到火情刺激時(shí)激發(fā)機(jī)器人的自我保護(hù)機(jī)制，使其做出撤手等一系列規(guī)避危險(xiǎn)的動(dòng)作。

圖 | 納米纖維離子導(dǎo)體皮膚的阻燃及預(yù)警功能概念設(shè)計(jì)

圖 | 絲蛋白電子皮膚應(yīng)用于機(jī)器手的趨利性自我保護(hù)動(dòng)作激發(fā)

簡(jiǎn)而言之，該研究采用了一種快速高效的納米纖維離子導(dǎo)體制備方法，結(jié)合電子信號(hào)分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制備了貼敷型的阻燃預(yù)警多功能電子皮膚，為多功能電子皮膚的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

本文第一作者為上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院博士后曹雷濤與2019級(jí)碩士研究生劉強(qiáng)，通訊作者為上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰教授、塔夫茨大學(xué)（Tufts University）大學(xué)David L. Kaplan教授及東北林業(yè)大學(xué)陳文帥教授。上海科技大學(xué)為第一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院合肥大科學(xué)中心“高端用戶(hù)培育基金”、上�？萍即髮W(xué)啟動(dòng)資金、博士后面上基金、纖維改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題等基金的資助。

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https://onlinelibrary.網(wǎng)址未加載/doi/10.1002/adma.202102500

圖 文 曹雷濤

排 版 靖羽萌

編 輯 陳 蕾

高 瑄

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