物质学院凌盛杰课题组利用天然蚕丝研发防火预警功能离子皮肤

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，我校物质学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