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上科大凌盛杰團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：具有優(yōu)異彈性和導(dǎo)電性的離子導(dǎo)體纖維助力智能感知
2023-04-06  來(lái)源：高分子科技

  離子導(dǎo)體材料具有良好的生物相容性、透明性、導(dǎo)電性，及能夠與生物組織相匹配的力學(xué)特性，相關(guān)研究加快了人工皮膚、軟體機(jī)器人和超柔性顯示器的發(fā)展。其中，離子導(dǎo)電纖維特別適用于柔性傳感器和光電顯示器等可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。而將離子導(dǎo)體材料制成具有優(yōu)異的彈性和導(dǎo)電性的纖維的挑戰(zhàn)在于：傳統(tǒng)熔融紡絲很難制備含有高離子濃度的纖維；而通過(guò)濕法紡絲制備時(shí)，導(dǎo)電纖維所需的離子會(huì)擴(kuò)散到凝固浴中，這會(huì)顯著降低固體纖維中的離子含量并使其失去導(dǎo)電性。


  近期，上？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的凌盛杰研究團(tuán)隊(duì)利用蠶絲和氯化鋰為原料，開發(fā)了一種仿生紡絲策略，通過(guò)部分溶解蠶絲纖維制備含有微纖結(jié)構(gòu)（silk microfibrils, SMFs）的絲素溶液作為紡絲液，進(jìn)而制備出含有絲微纖和鋰離子的離子導(dǎo)體纖維。具體來(lái)說(shuō)，他們模擬絲腺體中天然液晶紡絲過(guò)程，采取干法向列紡絲，使紡絲原液能夠在最小的外力作用下流過(guò)噴絲頭并形成獨(dú)立的纖維，克服了上述紡絲方法中的局限性（圖1）。 


圖1. A)天然絲腺和液晶紡絲過(guò)程：為絲素蛋白在被施加外力流動(dòng)之前是對(duì)齊的，當(dāng)它通過(guò)紡絲管時(shí)，它進(jìn)一步沿著流動(dòng)軸向對(duì)齊。B）干法向列紡絲策略：SMFs在擠出過(guò)程中排列對(duì)齊，類比于蠶的天然紡絲。


  由此制得的絲基離子導(dǎo)電纖維（silk sourced ionotronic fibers, SSIFs）顯示出優(yōu)秀的力學(xué)性能，并系統(tǒng)測(cè)試了材料的可拉伸性、韌性、強(qiáng)度和響應(yīng)滯后性。SSIFs包含由分子纏結(jié)的絲素鏈和交聯(lián)的β-折疊組成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有助于提高纖維的力學(xué)性能。其中SMFs結(jié)構(gòu)也起著重要作用，且部分溶解的絲蛋白被水合離子增塑，并保持相對(duì)柔韌，為材料的可拉伸性做出貢獻(xiàn)。SMFs直徑在5–10 μm之間，在紡出的SSIFs中緊密堆積并沿著纖維軸排列。同時(shí)，SSIFs可通過(guò)加捻成為紗線并在一定程度上保持原有的力學(xué)行為。在拉伸過(guò)程中，SSIFs會(huì)發(fā)生應(yīng)變硬化，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈指數(shù)增長(zhǎng)，顯示出軟生物彈性體的特點(diǎn)。研究中通過(guò)掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜和廣角X射線衍射等測(cè)試手段研究了SSIFs的形貌與結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了拉伸過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。此外，這種離子導(dǎo)體纖維材料還具有靈敏的應(yīng)變-電學(xué)響應(yīng)，基于發(fā)生形變時(shí)的材料電阻變化可以對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)（圖2）。 


圖2. SSIFs的力學(xué)性能 A）示意圖展示了SSIF的分子結(jié)構(gòu)和相應(yīng)變化，使SSIF在被拉伸到2倍于其原始長(zhǎng)度后得到彈性恢復(fù)，如照片所示。B）SSIF的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。C）SSIF的循環(huán)拉伸試驗(yàn)。D) SSIF的楊氏模量和韌性與其他代表性軟材料的比較。E）在整個(gè)拉伸周期中SSIF的原位SAXS圖案。F) 拉伸到不同伸長(zhǎng)率的SSIF的WAXS圖案。G）SSIFs作為運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)手指不同的彎曲角度。H）檢測(cè)膝蓋的彎曲。I）檢測(cè)手腕的運(yùn)動(dòng)。


  為了進(jìn)一步拓展SSIFs的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)將聚四氟乙烯（PTFE）纖維包覆SSIFs表面制成核-殼式摩擦納米發(fā)電纖維（Triboelectric nanogenerator, TENG），并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將其用于智能識(shí)別。論文中展示了使用該纖維制備的手套可對(duì)不同材料制成的小球進(jìn)行識(shí)別分類，成功率達(dá)93.75%，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中顯示出潛力（圖3）。 


圖3. A) SSIFs-TENG結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能感知。B）多通道信號(hào)采集。


  總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種仿生紡絲策略所制備出的離子導(dǎo)體纖維具有良好的拉伸性（>250%）、彈性（拉伸下顯示13%的塑性形變）、導(dǎo)電性（61.18 ms m-1）和低滯后性（20.2%）。由此制備的摩擦電納米發(fā)電機(jī)纖維可產(chǎn)生精確、靈敏的摩擦電響應(yīng)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，作者展示了這類材料、器件在人機(jī)交互、智能感知方面的實(shí)際應(yīng)用前景。


  相關(guān)論文以“Biomimetic Spun Silk Ionotronic Fibers for Intelligent Discrimination of Motions and Tactile Stimuli”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。上？萍即髮W(xué)碩士研究生曹心怡、鹽城工學(xué)院講師葉超博士為本論文的共同第一作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202300447

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（責(zé)任編輯：xu）
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