生物体主要通过离子传导电流，而人造机器主要利用电子传导电流。随着柔性可穿戴设备快速发展，学者们在电子皮肤electronic skin（e-skin）的基础上，研发了ionotronic skin（i-skin）材料。作为潜在应用于人机交互界面的材料，其安全性十分重要。
近日，上海科技大学凌盛杰课题组，以天然的蚕丝蛋白和钙离子为原料，制备了一种透明，可拉伸，可自修复，高安全性的导电i-skin。这种材料显示出很好的阻燃特性。研究团队深度探究阻燃 机理，并开发了一种在极端条件下可以通过无线信号传递信息的预警系统。为进一步提升可穿戴设备安全性、为新型离子皮肤的设计提供了新的灵感。
图1：SFCIS的制备与展示
为制备丝素蛋白钙离子导体（SFCIS），作者采用了两种不同的制备方法，以满足不同应用场景的需求。SFCIS具有高透明性，通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在环境中的力学性能，使其与生物组织模量相当，同时在环境温度湿度下具有良好的可拉伸性质（伸长率高达1200%）和导电性（1.96 mS·cm-1）以满足可穿戴器件的需求。在水蒸气气氛中，SFCIS具有很好的自愈性能。
钙离子的引入，为材料提供与环境中物质交换的能力，保持了材料体系中结合水的稳定。结合水的存在，一方面为材料提供了大量氢键，使其具有较高的韧性和可自愈能力。另一方面，在材料暴露在燃烧环境下时，材料中由于钙离子螯合水的存在，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。因此这类复合薄膜具有很好的阻燃特性。
图2：SFCIS的阻燃机理及燃烧表面的SEM图
为了探究瞬间燃烧过程中材料发生的化学反应，该团队运用热质联用（TGA-MS）表征手段，精确分析了不同燃烧反应阶段下的材料各组分的变化，从而推测阻燃过程包括：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。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。并且在燃烧实验中SFCIS不会发生复燃，熔滴等二次危害行为，可保障器件的在火灾环境下的安全性。
图3：SFCIS的应用展示及原理介绍
由于SFCIS 具有一定的粘附性，将其黏附在易燃物质表面，进行燃烧实验。在SFCIS 保护下，易燃材料在火焰下可以更长时间的维持状态，而不易被燃烧分解。实际应用中，该团队还基于SFCIS随燃烧程度电导率的变化，开发出一种火灾无线预警系统。
总的来说，该研究利用简单的制备方法，制备出基于天然蚕丝蛋白的离子导体材料，具有良好的导电性、可调的力学性质、自修复性，和阻燃性。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。
参考文献:
Liu, Q.; Yang, S.; Ren, J.; Ling, S., Flame-Retardant andSustainable Silk Ionotronic Skin for Fire Alarm Systems. ACS MaterialsLetters 2020, 712-720.
来源：高分子科学前沿
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