大连理工大学牛文斌教授《Chem. Eng. J.》：鱿鱼启发抗冻、耐干和抗菌的动态变色光子-离子皮肤

2023-03-09 来源：高分子科技

鱿鱼利用体内反射蛋白层次组装为光子纳米结构，与入射光发生物理作用反射特定光波,在视觉上呈现虹彩色。通过模拟这种结构，大连理工大学张淑芬团队的牛文斌教授利用安全高效广谱的抗菌剂-月桂酸甘油酯自组装，模拟类鱿鱼的光子纳米结构，设计了一种可高效杀菌、抵抗恶劣环境的多功能交互式光子-离子皮肤，并联合无线传感模块，实现了对多重刺激的数字化/可视化感知。以“Squid-Inspired Photonic-Ionic Skin with Anti-Freezing, Drying-Tolerance, and Antibacterial Abilities for Wirelessly Interactive Multi-Sensing”发表于《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者原为大连理工大学化工学院博士生王云朋，现毕业任职于河南大学材料学院。

图1 仿生的光子-离子皮肤的概念图

该工作将表面活性剂分子月桂酸甘油酯GML自组装成带有双分子层胶束，然后以周期性堆叠的形式嵌入到基于化学交联的水凝胶基质当中构成光子纳米结构，得到光子水凝胶。然后再通过溶剂置换引入有机溶剂和导电离子液体，构筑离子-导电皮肤（PIskin）。由抗菌分子制成的纳米结构不仅能产生类似于鱿鱼皮肤的结构色，还能有效杀死金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）和白色念珠菌（真菌），抑菌率均大于 99.9%。有机水凝胶基质的设计使PIskin具有长期的稳定性(>20 d)，同时承受高温(80℃)和低温(-80.5℃)，扩展了可视化传感的工作温度范围。

图2 光子-离子皮肤的制备

图3 光子-离子皮肤的抗冻、抗干和高效杀菌性能

当遭受拉伸或压缩刺激时，PIskin通过调整纳米结构并配合离子的机械转导，展示了快速(210 ms)，可逆(>10000循环)电信号变化和连续全彩切换能力。此外，该器件基于离子热敏性对温度表现出(-20°C - 80°C)优异的电学传感性能。该工作演示了PIskin如变色动物的皮肤一样，可以感知拉伸、压力、温度和等外界刺激，并应用于个性化的人体义肢。PIskin通过联合无线传感模块，利用自身结构色的变化实现了对关节运动和触觉的可视化感知，同时电学信号被同步地远程传输至手机当中，实现了无线数字化反馈。此外，PIskin还可以作为温度感知单元，通过电学信号去响应外界温度刺激。

图4 具有无线传感能力的光子-离子皮肤对刺激的双信号感知

该研究的最大意义在于通过抗菌小分子的层次自主装构建光子纳米结构，并置换非挥发和低凝固点的有机溶剂和导电离子液体，赋予传统光子凝胶抗冻、抗干、导电和显著的抗菌能力，利用光学输出可以自我报告刺激源的形状、位置和空间分布，还可以通过光学-电学信号输出差异来识别刺激类型，为光子凝胶实际应用于可穿戴柔性设备、软智能机器人、人机界面等领域开辟了更多可能性。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723010215

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（责任编辑：xu）

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