Advanced Materials: 新丝绸之路——从蚕丝材料的介观重构与功能化到柔性介观光子/电子学

蚕丝纤维通常被称为”纤维女王”,在纺织业已被使用超过五千年的历史。蚕丝为原材料的丝绸,也是中国古文明输出的物质遗产之一。随着材料科学的发展和对蚕丝研究的深入,蚕丝不再局限于传统的纺织工业,而是目前被认为是二十一世纪最有前途的材料之一。由于其具备良好的机械性能,生物相容性以及可控生物降解性等本征特性,引起了科学界极大的研究兴趣,目前,蚕丝材料已被广泛应用于组织工程、柔性电子、药物输送、生物分析等高科技领域。

日前,发表在国际著名学术期刊《先进材料》上的综述报告,让这些梦想中的人工智慧与大健康结合的场景,正一步一步向我们“走”来。将制作纺织品蚕丝,制成生物Ai芯片以及各类智能传感器附于皮肤上或植入体内,可以实时采集与人体活动与健康有关的信号,对人们的健康状况进行在体监测,自动监控血糖、血压,遇到心脏骤停等状况,及时预警和智能急救……

这一系列成果来自国家特聘教授刘向阳的厦门大学团队。该团队首次在国际上制备出具有革命性的丝素蛋白介观杂化材料,构建出高性能、高稳定性、低能耗的可实用的蚕丝介观神经芯片与各类高性能介观柔性传感器。

从“纤维女王”变成“智慧女王”

随着大数据、人工智能的发展,人工智能光、电芯片,与智慧传感技术,已经被广泛地应用于学习、识别和认知与大健康等领域,并逐渐成为引领社会进步的科技要素之一。特别是如何将基于大健康,与大数据、人工智能的的物质基础,倍受人们的关注。为了迎合新时期信息电子器件在柔性可穿戴及体内可植入等领域的应用趋势,越来越多的有机蛋白质器件受到青睐。这里最具有挑战性的议题是,我们是否能将的蚕丝这一普通天然纺织材料,变成与人体组织相容合的,能“安装”到人体内的生物传感与智能光、电柔性器件。

至此,刘向阳团队瞄准了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料。该蛋白材料具有优异的力学性能、生物相容性。如果将来植入人体,还能可控降解,是构建蛋白质基电子器件的理想材料。现有的生物有机材料,由于缺少特有的电荷传输机制,在构建的电子器件时,存在电学稳定性极差、信息存储擦写速度慢及工作能耗高等问题,无法实际应用。

为了迎接这些挑战,刘向阳团队探索出了一条全新路径。介观是介于微观与纳观之间的一种体系,而丝素蛋白材料是具有介观结构的软物质材料。通过介观结构优化设计,可创造出了一新全新的蚕丝介观电子功能材料,实现丝素蛋白材料性能的革命性提升。

介观重构新概念点“丝”成“金”

经过长期的研究,刘向阳团队开发的蚕丝智能传感与介观光、电元件,取得了突破性的进展,与同类有机生物元器件相比,其速度是有机生物材料的上百倍,耗电只是最好的同类有机生物电子器件的十分之一,开关比达到1000,重复性、稳定性都达到了同类产品的领先水平。

那么,该成果取得重要突破基于什么原理?有何奥秘?蚕丝作为一种天然生物材料,具有特殊的介观网络多级结构。蚕丝蛋白的折叠过程是由成核机制控制。使蚕丝蛋白具有特殊功能的“奥秘”在于,利用蚕丝蛋白的折叠过程,以纳米尺度大小粒子簇或大分子分子,作为纳米或成核模板,“镶嵌”在蚕丝丝素蛋白介观网络结构中,从而让蚕丝蛋白材料,具有前所未有的“超凡”的功能。这就是所谓的大分子介观重构与介观杂化的新概念。

由于蚕丝的介观重构与介观杂化,使用蚕丝材料的介观材料结构、介观的光、电子结构,发生根本性的变化,从而使其具有原先所不具备的光、电,与传感功能。以此构建出了新概念的柔性光、电子元器件,如介观非线性光子和荧光元件。这些介观器件在物理和生物化学传感、介观忆阻器、晶体管、脑电极和能量产生/存储等领域在人体与医药方面应用成为可能。特别是蚕丝介观柔性光电子设备可实现与人体组织之间的直接连接,如神经元和大脑,使长期传感、采样、信息传输、计算、体内存储,甚至人工智能与人类智能的融合成为可能。因此,蚕丝在柔性电子、光学/光子学、生物医学/医疗等领域的重要性明显高于传统纺织行业,从这个角度看,“新丝绸之路”的征程才刚刚开始。

论文信息:

New Silk Road: From Mesoscopic Reconstruction/Functionalization to Flexible Meso-Electronics/Photonics Based on Cocoon Silk Materials

Chenyang Shi, Fan Hu, Ronghui Wu, Zijie Xu, Guangwei Shao, Rui Yu*, Xiang Yang Liu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202005910