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上科大凌盛杰團隊《Adv. Mater.》:具有優異彈性和導電性的離子導體纖維助力智能感知
2023-04-06  來源:高分子科技

  離子導體材料具有良好的生物相容性、透明性、導電性,及能夠與生物組織相匹配的力學特性,相關研究加快了人工皮膚、軟體機器人和超柔性顯示器的發展。其中,離子導電纖維特別適用于柔性傳感器光電顯示器等可穿戴設備領域。而將離子導體材料制具有優異的彈性和導電性的纖維挑戰在于:傳統熔融紡絲很難制備含有高離子濃度的纖維;而通過濕法紡絲制備導電纖維所需的離子會擴散到凝固浴中,這會顯著降低固體纖維中的離子含量并使其失去導電性


  近期,上海科技大學物質科學與技術學院的凌盛杰研究團隊利用蠶絲和氯化鋰為原料,開發了一種仿生紡絲策略,通過部分溶解蠶絲纖維制備含有微纖結構(silk microfibrils, SMFs)的絲素溶液作為紡絲液,進而制備出含有絲微纖和鋰離子的離子導體纖維。具體來說,他們模擬絲腺體中天然液晶紡絲過程,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噴絲頭并形成獨立的纖維,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程:為絲素蛋白在施加外力流動之前是對齊的,當它通過紡絲管時,它進一步沿著流動軸對齊B)干法向列紡絲策略:SMFs在擠出過程中排列對齊,類比于蠶的天然紡絲。


  由此制得的絲基離子導電纖維(silk sourced ionotronic fibers, SSIFs)顯示出優秀的力學性能,并系統測試了材料的可拉伸性、韌性、強度和響應滯后性。SSIFs包含由分子纏結的絲素鏈和交聯的β-折疊組成的雙網絡結構,這種結構有助于提高纖維的力學性能。其中SMFs結構也起著重要作用,且部分溶解的絲蛋白被水合離子增塑,并保持相對柔韌,為材料的可拉伸性做出貢獻。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,SSIFs可通過加捻成為紗線并在一定程度上保持原有的力學行為。在拉伸過程中,SSIFs會發生應變硬化,真應力-應變曲線呈指數增長,顯示出軟生物彈性體的特點。研究中通過掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜和廣角X射線衍射等測試手段研究了SSIFs的形貌與結構,詳細討論了拉伸過程中的微觀結構變化。此外,這種離子導體纖維材料還具有靈敏的應變-電學響應,基于發生形變時的材料電阻變化可以對人體運動進行精確的監測(圖2)。 


圖2. SSIFs的力學性能 A)示意圖示了SSIF的分子結構和相應變化,使SSIF在被拉伸到2倍于其原始長度后得到彈性恢復,如照片所示。B)SSIF的真應力-應變曲線。C)SSIF的循環拉伸試驗。D) SSIF的楊氏模量和韌性與其他代表性軟材料的比較。E)在整個拉伸周期中SSIF的原位SAXS圖案。F) 拉伸到不同伸長率的SSIF的WAXS圖案。G)SSIFs作為運動傳感器檢測手指不同的彎曲角度。H)檢測膝蓋的彎曲。I)檢測手腕的運動。


  為了進一步拓展SSIFs的應用,研究團隊將聚四氟乙烯(PTFE)纖維包覆SSIFs表面制成核-殼式摩擦納米發電纖維(Triboelectric nanogenerator, TENG),并結合機器學習和物聯網技術,將其用于智能識別。論文中展示了使用該纖維制備的手套可對不同材料制成的小球進行識別分類,成功率達93.75%,在增強現實應用中顯示出潛力(圖3)。 


圖3. ASSIFs-TENG結合機器學習及物聯網技術實現智能感知。B)多通道信號采集。


  總的來說,通過這種仿生紡絲策略所制備出的離子導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電機纖維可產生精確、靈敏的摩擦電響應。通過機器學習和物聯網技術的結合,作者展示了這類材料、器件在人機交互、智能感知方面的實際應用前景。


  相關論文以Biomimetic Spun Silk Ionotronic Fibers for Intelligent Discrimination of Motions and Tactile Stimuli”為題發表在《Advanced Materials》上。上海科技大學碩士研究生曹心怡、鹽城工學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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(責任編輯:xu)
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