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大連理工大學牛文斌教授《Chem. Eng. J.》：魷魚啟發抗凍、耐干和抗菌的動態變色光子-離子皮膚

2023-03-09 來源：高分子科技

魷魚利用體內反射蛋白層次組裝為光子納米結構，與入射光發生物理作用反射特定光波,在視覺上呈現虹彩色。通過模擬這種結構，大連理工大學張淑芬團隊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，模擬類魷魚的光子納米結構，設計了一種可高效殺菌、抵抗惡劣環境的多功能交互式光子-離子皮膚，并聯合無線傳感模塊，實現了對多重刺激的數字化/可視化感知。以“Squid-Inspired Photonic-Ionic Skin with Anti-Freezing, Drying-Tolerance, and Antibacterial Abilities for Wirelessly Interactive Multi-Sensing”發表于《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者原為大連理工大學化工學院博士生王云朋，現畢業任職于河南大學材料學院。

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交聯的水凝膠基質當中構成光子納米結構，得到光子水凝膠。然后再通過溶劑置換引入有機溶劑和導電離子液體，構筑離子-導電皮膚（PIskin）。由抗菌分子制成的納米結構不僅能產生類似于魷魚皮膚的結構色，還能有效殺死金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌（革蘭氏陽性菌）和白色念珠菌（真菌），抑菌率均大于 99.9%。有機水凝膠基質的設計使PIskin具有長期的穩定性(>20 d)，同時承受高溫(80℃)和低溫(-80.5℃)，擴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

當遭受拉伸或壓縮刺激時，PIskin通過調整納米結構并配合離子的機械轉導，展示了快速(210 ms)，可逆(>10000循環)電信號變化和連續全彩切換能力。此外，該器件基于離子熱敏性對溫度表現出(-20°C - 80°C)優異的電學傳感性能。該工作演示了PIskin如變色動物的皮膚一樣，可以感知拉伸、壓力、溫度和等外界刺激，并應用于個性化的人體義肢。PIskin通過聯合無線傳感模塊，利用自身結構色的變化實現了對關節運動和觸覺的可視化感知，同時電學信號被同步地遠程傳輸至手機當中，實現了無線數字化反饋。此外，PIskin還可以作為溫度感知單元，通過電學信號去響應外界溫度刺激。

圖4 具有無線傳感能力的光子-離子皮膚對刺激的雙信號感知

該研究的最大意義在于通過抗菌小分子的層次自主裝構建光子納米結構，并置換非揮發和低凝固點的有機溶劑和導電離子液體，賦予傳統光子凝膠抗凍、抗干、導電和顯著的抗菌能力，利用光學輸出可以自我報告刺激源的形狀、位置和空間分布，還可以通過光學-電學信號輸出差異來識別刺激類型，為光子凝膠實際應用于可穿戴柔性設備、軟智能機器人、人機界面等領域開辟了更多可能性。

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

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（責任編輯：xu）

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