上科大凌盛杰团队《Adv. Mater.》：具有优异弹性和导电性的离子导体纤维助力智能感知

2023-04-06 来源：高分子科技

离子导体材料具有良好的生物相容性、透明性、导电性，及能够与生物组织相匹配的力学特性，相关研究加快了人工皮肤、软体机器人和超柔性显示器的发展。其中，离子导电纤维特别适用于柔性传感器和光电显示器等可穿戴设备领域。而将离子导体材料制成具有优异的弹性和导电性的纤维的挑战在于：传统熔融纺丝很难制备含有高离子浓度的纤维；而通过湿法纺丝制备时，导电纤维所需的离子会扩散到凝固浴中，这会显著降低固体纤维中的离子含量并使其失去导电性。

近期，上海科技大学物质科学与技术学院的凌盛杰研究团队利用蚕丝和氯化锂为原料，开发了一种仿生纺丝策略，通过部分溶解蚕丝纤维制备含有微纤结构（silk microfibrils, SMFs）的丝素溶液作为纺丝液，进而制备出含有丝微纤和锂离子的离子导体纤维。具体来说，他们模拟丝腺体中天然液晶纺丝过程，采取干法向列纺丝，使纺丝原液能够在最小的外力作用下流过喷丝头并形成独立的纤维，克服了上述纺丝方法中的局限性（图1）。

图1. A)天然丝腺和液晶纺丝过程：为丝素蛋白在被施加外力流动之前是对齐的，当它通过纺丝管时，它进一步沿着流动轴向对齐。B）干法向列纺丝策略：SMFs在挤出过程中排列对齐，类比于蚕的天然纺丝。

由此制得的丝基离子导电纤维（silk sourced ionotronic fibers, SSIFs）显示出优秀的力学性能，并系统测试了材料的可拉伸性、韧性、强度和响应滞后性。SSIFs包含由分子缠结的丝素链和交联的β-折叠组成的双网络结构，这种结构有助于提高纤维的力学性能。其中SMFs结构也起着重要作用，且部分溶解的丝蛋白被水合离子增塑，并保持相对柔韧，为材料的可拉伸性做出贡献。SMFs直径在5–10 μm之间，在纺出的SSIFs中紧密堆积并沿着纤维轴排列。同时，SSIFs可通过加捻成为纱线并在一定程度上保持原有的力学行为。在拉伸过程中，SSIFs会发生应变硬化，真应力-应变曲线呈指数增长，显示出软生物弹性体的特点。研究中通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和广角X射线衍射等测试手段研究了SSIFs的形貌与结构，详细讨论了拉伸过程中的微观结构变化。此外，这种离子导体纤维材料还具有灵敏的应变-电学响应，基于发生形变时的材料电阻变化可以对人体运动进行精确的监测（图2）。

图2. SSIFs的力学性能 A）示意图展示了SSIF的分子结构和相应变化，使SSIF在被拉伸到2倍于其原始长度后得到弹性恢复，如照片所示。B）SSIF的真应力-应变曲线。C）SSIF的循环拉伸试验。D) SSIF的杨氏模量和韧性与其他代表性软材料的比较。E）在整个拉伸周期中SSIF的原位SAXS图案。F) 拉伸到不同伸长率的SSIF的WAXS图案。G）SSIFs作为运动传感器检测手指不同的弯曲角度。H）检测膝盖的弯曲。I）检测手腕的运动。

为了进一步拓展SSIFs的应用，研究团队将聚四氟乙烯（PTFE）纤维包覆SSIFs表面制成核-壳式摩擦纳米发电纤维（Triboelectric nanogenerator, TENG），并结合机器学习和物联网技术，将其用于智能识别。论文中展示了使用该纤维制备的手套可对不同材料制成的小球进行识别分类，成功率达93.75%，在增强现实应用中显示出潜力（图3）。

图3. A) SSIFs-TENG结合机器学习及物联网技术实现智能感知。B）多通道信号采集。

总的来说，通过这种仿生纺丝策略所制备出的离子导体纤维具有良好的拉伸性（>250%）、弹性（拉伸下显示13%的塑性形变）、导电性（61.18 ms m^-¹）和低滞后性（20.2%）。由此制备的摩擦电纳米发电机纤维可产生精确、灵敏的摩擦电响应。通过机器学习和物联网技术的结合，作者展示了这类材料、器件在人机交互、智能感知方面的实际应用前景。

相关论文以“Biomimetic Spun Silk Ionotronic Fibers for Intelligent Discrimination of Motions and Tactile Stimuli”为题发表在《Advanced Materials》上。上海科技大学硕士研究生曹心怡、盐城工学院讲师叶超博士为本论文的共同第一作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202300447

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（责任编辑：xu）

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