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大連理工大學(xué)牛文斌教授《Chem. Eng. J.》：魷魚(yú)啟發(fā)抗凍、耐干和抗菌的動(dòng)態(tài)變色光子-離子皮膚
2023-03-09  來(lái)源：高分子科技

  魷魚(yú)利用體內(nèi)反射蛋白層次組裝為光子納米結(jié)構(gòu)，與入射光發(fā)生物理作用反射特定光波,在視覺(jué)上呈現(xiàn)虹彩色。通過(guò)模擬這種結(jié)構(gòu)，大連理工大學(xué)張淑芬團(tuán)隊(duì)的牛文斌教授利用安全高效廣譜的抗菌劑-月桂酸甘油酯自組裝，模擬類(lèi)魷魚(yú)的光子納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種可高效殺菌、抵抗惡劣環(huán)境的多功能交互式光子-離子皮膚，并聯(lián)合無(wú)線(xiàn)傳感模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多重刺激的數(shù)字化/可視化感知。以“Squid-Inspired Photonic-Ionic Skin with Anti-Freezing, Drying-Tolerance, and Antibacterial Abilities for Wirelessly Interactive Multi-Sensing”發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者原為大連理工大學(xué)化工學(xué)院博士生王云朋，現(xiàn)畢業(yè)任職于河南大學(xué)材料學(xué)院。


圖1 仿生的光子-離子皮膚的概念圖


  該工作將表面活性劑分子月桂酸甘油酯GML自組裝成帶有雙分子層膠束，然后以周期性堆疊的形式嵌入到基于化學(xué)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)當(dāng)中構(gòu)成光子納米結(jié)構(gòu)，得到光子水凝膠。然后再通過(guò)溶劑置換引入有機(jī)溶劑和導(dǎo)電離子液體，構(gòu)筑離子-導(dǎo)電皮膚（PIskin）。由抗菌分子制成的納米結(jié)構(gòu)不僅能產(chǎn)生類(lèi)似于魷魚(yú)皮膚的結(jié)構(gòu)色，還能有效殺死金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌（革蘭氏陽(yáng)性菌）和白色念珠菌（真菌），抑菌率均大于 99.9%。有機(jī)水凝膠基質(zhì)的設(shè)計(jì)使PIskin具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性(>20 d)，同時(shí)承受高溫(80℃)和低溫(-80.5℃)，擴(kuò)展了可視化傳感的工作溫度范圍。 


圖2 光子-離子皮膚的制備 


圖3 光子-離子皮膚的抗凍、抗干和高效殺菌性能


  當(dāng)遭受拉伸或壓縮刺激時(shí)，PIskin通過(guò)調(diào)整納米結(jié)構(gòu)并配合離子的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)，展示了快速(210 ms)，可逆(>10000循環(huán))電信號(hào)變化和連續(xù)全彩切換能力。此外，該器件基于離子熱敏性對(duì)溫度表現(xiàn)出(-20°C - 80°C)優(yōu)異的電學(xué)傳感性能。該工作演示了PIskin如變色動(dòng)物的皮膚一樣，可以感知拉伸、壓力、溫度和等外界刺激，并應(yīng)用于個(gè)性化的人體義肢。PIskin通過(guò)聯(lián)合無(wú)線(xiàn)傳感模塊，利用自身結(jié)構(gòu)色的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)的可視化感知，同時(shí)電學(xué)信號(hào)被同步地遠(yuǎn)程傳輸至手機(jī)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)數(shù)字化反饋。此外，PIskin還可以作為溫度感知單元，通過(guò)電學(xué)信號(hào)去響應(yīng)外界溫度刺激。 


圖4 具有無(wú)線(xiàn)傳感能力的光子-離子皮膚對(duì)刺激的雙信號(hào)感知


  該研究的最大意義在于通過(guò)抗菌小分子的層次自主裝構(gòu)建光子納米結(jié)構(gòu)，并置換非揮發(fā)和低凝固點(diǎn)的有機(jī)溶劑和導(dǎo)電離子液體，賦予傳統(tǒng)光子凝膠抗凍、抗干、導(dǎo)電和顯著的抗菌能力，利用光學(xué)輸出可以自我報(bào)告刺激源的形狀、位置和空間分布，還可以通過(guò)光學(xué)-電學(xué)信號(hào)輸出差異來(lái)識(shí)別刺激類(lèi)型，為光子凝膠實(shí)際應(yīng)用于可穿戴柔性設(shè)備、軟智能機(jī)器人、人機(jī)界面等領(lǐng)域開(kāi)辟了更多可能性。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723010215

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