Mit der rasanten Entwicklung flexibler tragbarer Geräte wird elektronische Haut zu einem wichtigen Material für die Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle, und ihre Sicherheit wird sehr wichtig. Unter Verwendung von natürlichem Seidenprotein und Kalziumionen als Rohstoffe hat ein Team der Shanghai University of Science and Technology ein transparentes, dehnbares, selbstheilendes und hochsicheres leitfähiges elektronisches Hautmaterial mit guten flammhemmenden Eigenschaften hergestellt. Das Forschungsteam untersuchte eingehend den flammhemmenden Mechanismus und entwickelte ein Frühwarnsystem, das unter extremen Bedingungen Informationen über drahtlose Signale übertragen kann, was eine neue Idee für die weitere Entwicklung neuer ionischer Haut und die Verbesserung der Sicherheit tragbarer Geräte liefert.

Vorbereitung und Präsentation von SFCIS

Zur Herstellung von Fibroin-Kalzium-Ionen-Elektronenhaut (SFCIS) wurden zwei verschiedene Methoden verwendet, um die Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien zu erfüllen. SFCIS ist hochtransparent. Die mechanischen Eigenschaften von SFCIS in der Umgebung können durch Regulierung des Kalziumionengehalts gesteuert werden, sodass der Modul von SFCIS dem von biologischem Gewebe ähnelt und seine Anwendungsleistung besser ist. Gleichzeitig verfügt SFCIS über eine gute Dehnbarkeit (Dehnungsrate bis zu 1200 %) und elektrische Leitfähigkeit (1.96 ms · cm-1), was den Anforderungen tragbarer Geräte gerecht wird. In einer Wasserdampfumgebung weist SFCIS außerdem eine gute Selbstheilungsleistung auf.

Mechanische Eigenschaften von SFCIS

Die Einführung von Calciumionen kann Materialien mit der Umgebung austauschen und die Stabilität des gebundenen Wassers in den Materialien aufrechterhalten. Einerseits sorgt das Vorhandensein von gebundenem Wasser für eine große Anzahl von Wasserstoffbrücken für das elektronische Hautmaterial, wodurch es eine hohe Zähigkeit und Selbstheilungsfähigkeit aufweist. Andererseits kann, wenn das Material einer Verbrennungsumgebung ausgesetzt wird, Calciumchelatwasser dazu führen, dass das Material beim ersten Kontakt mit der Flamme Wärme absorbiert und verdampft und sich schnell ausdehnt, wodurch ein Schutz für den inneren Keller entsteht. Diese Art von elektronischem Hautmaterial hat also gute flammhemmende Eigenschaften.

Flammhemmender Mechanismus von SFCIS und SEM-Diagramm der Verbrennungsoberfläche

Das Team verwendete eine Charakterisierung mittels Thermomassenspektrometrie (TGA-MS), um die Veränderungen der einzelnen Materialkomponenten in den verschiedenen Phasen der Verbrennungsreaktion genau zu analysieren, und stellte so die Hypothese auf, dass der Flammschutzprozess Dehydratation, Ausdehnung der Karbonisierungsschicht, mehrschichtige Abschirmung und Löschung freier Radikale umfasste. Im Experiment des Sauerstoffindex-Grenzwerttests zeigte SFCIS eine Flammschutzleistung, die mit der von technischen Kunststoffen vergleichbar ist, und es kommt im Verbrennungsexperiment zu keiner Wiederentzündung, Tropfenbildung und anderen sekundären Gefahren, was die Sicherheit des Materials in der Brandumgebung weitgehend gewährleistet.

In der Praxis entwickelte das Team außerdem ein drahtloses Feuerwarnsystem, das auf der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des SFCIS mit dem Grad der Verbrennung basiert.

Generell basierte das Team auf der Verwendung von einfach hergestelltem, natürlichem Seidenprotein, das eine gute elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften, Selbstheilungseigenschaften und Flammhemmung aufweist und ein ionenleitendes elektronisches Hautmaterial ist. Dieses Material bietet eine durchführbare Lösung für die Erforschung des Verbrennungsmechanismus und bietet auch als neuartiges Design künstlicher Haut neue Denkansätze, die wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung tragbarer Sicherheitsausrüstung liefern.