生物面板作為一個與外界互動的智慧器官，它不僅能感知各種外部刺激(如壓力、拉伸和溼度等變化)，而且還具有各種先進的生物功能。例如，很多生物面板具有自動癒合傷口、釋放分泌物以殺死入侵的細菌以及抵抗寒冷天氣的能力。更有趣的是，自然界中的變色龍等生物可以透過控制面板表面週期性鳥嘌呤奈米晶體結構色來改變面板顏色，以達到偽裝、求偶和警示天敵等目的。雖然這些靈敏的感知能力及優異的功能在自然界生物體內普遍存，但它們很少同時在人造材料中得以實現。因此，亟需開發一種具有上述多種生物功能的高度整合的多功能仿生面板，以滿足材料在複雜環境中的實際使用需求。
四川大學金勇教授課題組受到自然界生物面板的啟發，利用少量的化學物質，便捷的製備了一種具有多重監測、抗菌、自癒合、防凍功能的機致變色/機電響應的光電雙感測離子面板(DSI-skin) (如圖1所示)。
圖1.具有多重監測、抗菌、自癒合、防凍功能的機致變色/機電響應的光電雙感測離子面板(DSI-skin)示意圖。
該材料是在含有羧酸根的水凝膠三維網路中，透過引入Al3+離子來賦予材料離子傳導能力；再引入高取代的羥丙基纖維素(H-HPC)形成膽淄相液晶結構色賦予材料靈敏的變色能力，最終獲得該DSI-skin仿生離子面板。其具體制備及表徵過程如圖2所示。
圖2.DSI-skin仿生離子面板的製備及表徵過程。
所得的DSI-skin仿生離子面板首次實現了同時敏感的雙模式響應拉伸(GF：4.90；響應時間：363 ms；機致變色靈敏度：2.14 nm %-1)、壓力(機電響應靈敏度：3.14 kPa-1；響應時間：631 ms；機致變色靈敏度：8.02 nm Kp-1)和溼度(快速響應：0.5 s；寬範圍：30%~90%RH)變化。在這些外界刺激下，該DSI-skin不僅能夠透過電阻的變化顯示電訊號，而且可以透過調節液晶相的螺距來反映鮮豔的視覺資訊，如同變色龍等生物一樣。因此，DSI-skin可以數字化、視覺化地監控人體運動和呼氣。如圖3和圖4所示。
圖3. DSI-skin仿生離子面板的機致變色和機電響應雙感測。
圖4. DSI-skin仿生離子面板的用於人體運動和呼吸監測。
更重要的是，由於Al3+離子和H-HPC的高度協同效應，該DSI-skin仿生離子面板首次同時集成了快速的顏色調控(426~641nm)、出色的抗菌(Log Reduction＞3.43)、自愈(85.0% efficiency)和抗凍(-15℃)功能。如圖5-7所示。這些實用的功能延長了材料的使用壽命，擴大了其在許多領域的實際應用。
圖5. DSI-skin仿生離子面板優異的抗菌能力。
圖6. DSI-skin仿生離子面板優良的自癒合功能。
圖7. DSI-skin仿生離子面板優異的抗凍能力。
此外，DSI-skin離子面板的構建不侷限於Al3+離子，上述多種生物功能也可以透過Zn2+離子來實現。該研究結果將為高效能仿生面板、可穿戴裝置和生物感測器的製造提供必要的設計指導。
相關研究結果以“Highly Synergistic, Electromechanical and Mechanochromic Dual-Sensing Ionic Skin with Multiple Monitoring, Antibacterial, Self-healing, and Anti-freezing Functions”為題，發表在國際著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》(Journalof Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA06798B)上。四川大學輕工科學與工程學院博士研究生白龍為本文第一作者，其導師金勇教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金等專案的資助。
論文連結：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06798B
