生物體主要通過離子傳導(dǎo)電流，而人造機(jī)器主要利用電子傳導(dǎo)電流。隨著柔性可穿戴設(shè)備快速發(fā)展，學(xué)者們?cè)陔娮悠つwelectronic skin（e-skin）的基礎(chǔ)上，研發(fā)了ionotronic?skin（i-skin）材料。作為潛在應(yīng)用于人機(jī)交互界面的材料，其安全性十分重要。
近日，上?？萍即髮W(xué)凌盛杰課題組，以天然的蠶絲蛋白和鈣離子為原料，制備了一種透明，可拉伸，可自修復(fù)，高安全性的導(dǎo)電i-skin。這種材料顯示出很好的阻燃特性。研究團(tuán)隊(duì)深度探究阻燃機(jī)理，并開發(fā)了一種在極端條件下可以通過無(wú)線信號(hào)傳遞信息的預(yù)警系統(tǒng)。為進(jìn)一步提升可穿戴設(shè)備安全性、為新型離子皮膚的設(shè)計(jì)提供了新的靈感。
為制備絲素蛋白鈣離子導(dǎo)體（SFCIS），作者采用了兩種不同的制備方法，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。SFCIS具有高透明性，通過調(diào)控鈣離子含量可以控制SFCIS在環(huán)境中的力學(xué)性能，使其與生物組織模量相當(dāng)，同時(shí)在環(huán)境溫度濕度下具有良好的可拉伸性質(zhì)（伸長(zhǎng)率高達(dá)1200%）和導(dǎo)電性（1.96 mS·cm-1）以滿足可穿戴器件的需求。在水蒸氣氣氛中，SFCIS具有很好的自愈性能。
鈣離子的引入，為材料提供與環(huán)境中物質(zhì)交換的能力，保持了材料體系中結(jié)合水的穩(wěn)定。結(jié)合水的存在，一方面為材料提供了大量氫鍵，使其具有較高的韌性和可自愈能力。另一方面，在材料暴露在燃燒環(huán)境下時(shí)，材料中由于鈣離子螯合水的存在，使材料表面在接觸火焰的第一時(shí)間吸熱，氣化，并迅速形成膨脹，對(duì)內(nèi)部基底形成保護(hù)。因此這類復(fù)合薄膜具有很好的阻燃特性。
為了探究瞬間燃燒過程中材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用熱質(zhì)聯(lián)用（TGA-MS）表征手段，精確分析了不同燃燒反應(yīng)階段下的材料各組分的變化，從而推測(cè)阻燃過程包括：脫水過程；碳化層膨脹過程；多層屏蔽過程和自由基淬滅過程。在極限氧指數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中，SFCIS表現(xiàn)出媲美工程塑料的阻燃性能。并且在燃燒實(shí)驗(yàn)中SFCIS不會(huì)發(fā)生復(fù)燃，熔滴等二次危害行為，可保障器件的在火災(zāi)環(huán)境下的安全性。
由于SFCIS具有一定的粘附性，將其黏附在易燃物質(zhì)表面，進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。在SFCIS保護(hù)下，易燃材料在火焰下可以更長(zhǎng)時(shí)間的維持狀態(tài)，而不易被燃燒分解。實(shí)際應(yīng)用中，該團(tuán)隊(duì)還基于SFCIS隨燃燒程度電導(dǎo)率的變化，開發(fā)出一種火災(zāi)無(wú)線預(yù)警系統(tǒng)。
總的來(lái)說，該研究利用簡(jiǎn)單的制備方法，制備出基于天然蠶絲蛋白的離子導(dǎo)體材料，具有良好的導(dǎo)電性、可調(diào)的力學(xué)性質(zhì)、自修復(fù)性，和阻燃性。為研究這類材料燃燒機(jī)制提供了可行的方案，也為一類基于離子導(dǎo)體的新型人造皮膚設(shè)計(jì)提供了新的思路，對(duì)提升可穿戴設(shè)備安全性有重要的啟示。
