針對(duì)紡織電子中高導(dǎo)電性、高力學(xué)強(qiáng)度與液體環(huán)境穩(wěn)定性三者難以兼得的核心瓶頸，新加坡國(guó)立大學(xué)李正國(guó)與江南大學(xué)魏取福、呂鵬飛團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)單一性能優(yōu)化的框架，提出了一種核殼協(xié)同的纖維設(shè)計(jì)策略。他們引入KH570功能化MXene與PEDOT:PSS復(fù)配成導(dǎo)電漿料，通過與細(xì)菌纖維素的自組裝構(gòu)建有序核層，再包覆超薄PDMS疏水層。這一設(shè)計(jì)可謂一舉兩得：在纖維內(nèi)部，K-MXene與PEDOT:PSS通過強(qiáng)π-π堆疊相互作用提升電荷輸運(yùn)效率；在纖維表層，PDMS涂層形成物理屏障，有效阻隔水分子滲透。該策略無需復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)，僅通過簡(jiǎn)潔的核殼協(xié)同設(shè)計(jì)，同步實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電、超高強(qiáng)度和耐久疏水三大性能，為AIoT智能紡織電子提供了全新的材料解決方案。

I K-MXene/PEDOT:PSS導(dǎo)電漿料制備與PKMPBC導(dǎo)電纖維構(gòu)筑

研究團(tuán)隊(duì)通過多步協(xié)同策略成功制備了K-MXene/PEDOT:PSS導(dǎo)電墨水，并以此為基元構(gòu)筑了具有核殼結(jié)構(gòu)的PKMPBC高強(qiáng)度導(dǎo)電纖維。首先，采用MILD法選擇性刻蝕Ti3C2Tx MAX相中的Al層獲得Ti3C2Tx MXene納米片，隨后通過KH570在水溶液中進(jìn)行表面功能化修飾得到K-MXene。KH570的Si-OCH?基團(tuán)經(jīng)水解生成Si-O基，與MXene表面的-OH形成氫鍵并進(jìn)一步縮合為Si-O共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定修飾。

將K-MXene與PEDOT:PSS水分散液混合，帶正電的PEDOT鏈段與帶負(fù)電的K-MXene通過靜電相互作用組裝，形成高穩(wěn)定性導(dǎo)電墨水；拉曼光譜顯示PEDOT特征峰發(fā)生約8 cm?1的紅移，表明其分子構(gòu)象由苯式向醌式轉(zhuǎn)變，有助于提升電荷離域化和載流子密度。將細(xì)菌纖維素水凝膠條帶浸漬于墨水中，通過靜電自組裝負(fù)載導(dǎo)電組分，再經(jīng)拉伸加捻及干燥工藝獲得KMPBC纖維；最后在表面浸涂PDMS形成疏水包覆層，得到PKMPBC核殼結(jié)構(gòu)纖維。該纖維集高導(dǎo)電性、超強(qiáng)力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性于一體，可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)、微納能量收集、危險(xiǎn)液體監(jiān)測(cè)及可降解紡織電子等領(lǐng)域。

圖1. K-MXene/PEDOT:PSS導(dǎo)電漿料制備及PKMPBC纖維構(gòu)造流程示意圖。

透射電鏡和原子力顯微鏡表征顯示，K-MXene納米片厚度約為2.21 nm，晶格條紋間距0.35 nm對(duì)應(yīng)(101)晶面，稀分散液呈現(xiàn)明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)。X射線衍射圖譜中，K-MXene的(002)特征峰相較于MXene從8.05°移至7.07°，層間距擴(kuò)大至1.25 nm，證實(shí)KH570成功插入層間。流變測(cè)試表明，K-MXene/PEDOT:PSS墨水黏度達(dá)51.65 Pa·s，較原始MXene分散液提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的剪切變稀特性和加工適應(yīng)性。紅外光譜分析顯示，PKMPBC中BC的-OH振動(dòng)峰從3341 cm?1紅移至3270 cm?1，PSS的S=O吸收峰增強(qiáng)，證實(shí)BC與PSS、K-MXene與PSS之間形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)。

電導(dǎo)率測(cè)試表明，隨著K-MXene含量增加，KMPBC纖維電導(dǎo)率從2.98 S cm?1提升至43.32 S cm?1；包覆PDMS后PKMPBC纖維電導(dǎo)率為10.05 S cm?1。在高溫高濕及稀鹽酸浸泡后，PKMPBC纖維仍保持9.04和7.86 S cm?1的電導(dǎo)率，而未包覆的KMPBC纖維在水和PBS中電導(dǎo)率顯著下降，證明PDMS疏水層的有效保護(hù)。接觸角測(cè)試顯示，PKMPBC纖維對(duì)水、酸、堿、鹽、PBS及人工汗液的接觸角均在127°以上，最高達(dá)148.2°，展現(xiàn)出優(yōu)異的廣譜疏液性能。

圖2. K-MXene、KMP導(dǎo)電漿料及PKMPBC巨纖維的結(jié)構(gòu)與性能表征。

II PKMPBC纖維的力學(xué)性能與增強(qiáng)機(jī)制

紡織基傳感系統(tǒng)對(duì)纖維材料的力學(xué)強(qiáng)度提出了嚴(yán)苛要求。研究表明，經(jīng)拉伸加捻工藝處理后，純細(xì)菌纖維素纖維抗拉強(qiáng)度達(dá)718.4 MPa、楊氏模量15.4 GPa，顯著優(yōu)于未拉伸樣品。引入K-MXene/PEDOT:PSS后，KMBC和KMPBC纖維因結(jié)構(gòu)疏松化，強(qiáng)度分別降至668.6和610.4 MPa。而經(jīng)PDMS包覆的PKMPBC纖維展現(xiàn)出致密有序的截面結(jié)構(gòu)，楊氏模量提升至25.9 GPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)433.8 MPa，綜合力學(xué)性能優(yōu)于已報(bào)道的大多數(shù)MXene基導(dǎo)電纖維。單根PKMPBC纖維可提起1 kg砝碼(超自重3萬倍)，并可任意彎折打結(jié)不斷裂。在高溫高濕及鹽酸浸泡后，纖維仍保持478.8和301.4 MPa的強(qiáng)度，展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。廣角X射線散射測(cè)試顯示，PKMPBC纖維的Herman取向因子達(dá)0.56，半高寬僅45°，證明其高度取向的結(jié)構(gòu)特征。斷裂機(jī)制分析表明，拉伸過程中K-MXene納米片發(fā)生層間滑移以適配大形變，PDMS外殼提供約束力防止斷裂，BC微纖與導(dǎo)電填料間的強(qiáng)相互作用有效傳遞載荷并耗散能量，使纖維兼具高強(qiáng)度與韌性。

圖3. PKMPBC纖維的力學(xué)性能與斷裂機(jī)制表征。

III PKT-TENG織物的制造與輸出性能

為驗(yàn)證PKMPBC纖維在可穿戴場(chǎng)景中的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)基于單電極和接觸-分離兩種工作模式構(gòu)建了織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)(PKT-TENG)。選用靜電紡絲制備的PVDF-HFP納米纖維膜作為高電負(fù)性摩擦層，與PKMPBC織物配對(duì)組裝。在周期性接觸-分離過程中，PKT-TENG的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)移電荷量隨工作頻率升高而增加，在4 Hz時(shí)分別達(dá)到272.5 V、14.6 μA和83 nC。COMSOL仿真顯示，分離距離30 mm時(shí)兩極間電勢(shì)差達(dá)295 V。隨著負(fù)載電阻增大，輸出電壓升高而電流降低，在70 MΩ負(fù)載時(shí)瞬時(shí)功率密度達(dá)到峰值86.3 mW m?2。對(duì)比不同對(duì)摩材料，PVDF-HFP配對(duì)時(shí)輸出電壓最高。輸出性能隨外加作用力增大而提升，80 N力下電壓達(dá)208 V。耐久性測(cè)試表明，PKT-TENG在2700次連續(xù)接觸-分離循環(huán)及100次大幅扭曲拉伸后輸出無明顯衰減，液體澆淋后電信號(hào)變化微小，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性。

圖4. PKT-TENG織物的工作機(jī)制與輸出性能表征。

IV PKT-TENG的自供能傳感與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

基于優(yōu)異的力學(xué)性能和電輸出特性，PKT-TENG展現(xiàn)出作為自供能可穿戴傳感器的巨大潛力。通過整流橋?qū)⒔涣鬏敵鲛D(zhuǎn)換為直流后，PKT-TENG可成功為10至330 μF系列商用電容器充電，充電速率隨電容容量增大而降低；在3 Hz接觸-分離頻率下，100 μF電容器可在50 s內(nèi)充電至5.7 V，并成功驅(qū)動(dòng)電子手表工作，證實(shí)其作為柔性電源的可行性。

在單電極模式下，PKT-TENG輸出信號(hào)與機(jī)械位移高度相關(guān)，可用于人體運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。將PKMPBC織物集成至鞋墊，行走時(shí)足跟與織物接觸-分離產(chǎn)生37.5 V峰值電壓，跑步和跳躍時(shí)因碰撞力增大，輸出電壓分別升至64.7 V和58.8 V。抬臂速度從慢到快變化時(shí)，輸出電壓從13.2 V逐步增至20.8 V；抬腿高度增加同樣引起輸出信號(hào)升高。液體澆淋前后膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)峰值分別為19.4 V和18.2 V，變化微小，充分證明器件的疏水穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

圖5. PKT-TENG在自供能傳感與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用演示。

V 基于PKMPBC織物的液體智能識(shí)別與降解性能

面向無人化工廠對(duì)危險(xiǎn)液體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于PKMPBC織物的壓阻式液體智能識(shí)別系統(tǒng)。該傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅45/68 ms，在0.5至3 N負(fù)載下具有穩(wěn)定的循環(huán)響應(yīng)。當(dāng)液滴滴落至織物陣列表面時(shí)，重力沖擊和蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)共同作用引發(fā)隨時(shí)間變化的電阻信號(hào)。不同液體因分子間結(jié)合能差異呈現(xiàn)獨(dú)特的揮發(fā)行為：蒸餾水因強(qiáng)氫鍵作用揮發(fā)緩慢，電阻響應(yīng)平穩(wěn)持久；乙醇、丙酮等有機(jī)液體揮發(fā)迅速，電阻快速衰減。這種特征性的電阻-時(shí)間衰減曲線構(gòu)成了液體識(shí)別的物理基礎(chǔ)。

系統(tǒng)對(duì)不同液體滴落高度和體積也表現(xiàn)出靈敏響應(yīng)，電阻變化率隨高度和體積增大呈非線性增加?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)丙酮、DMF、乙醇和蒸餾水的電阻響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和分類，經(jīng)過1600批次訓(xùn)練后識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)91.03%。對(duì)于混合液體體系，傳感器可清晰區(qū)分各組分的揮發(fā)過程，如丙酮與乙醇混合液中丙酮完全揮發(fā)的時(shí)間點(diǎn)可被準(zhǔn)確捕捉。

此外，PKMPBC纖維保留了細(xì)菌纖維素的本征可生物降解特性。在纖維素酶溶液中，纖維在60 h內(nèi)逐漸斷裂為短纖束，132 h后完全降解，質(zhì)量損失率達(dá)60%，為綠色可持續(xù)的AIoT紡織電子提供了環(huán)保解決方案。

圖6. 基于PKMPBC織物的液體深度感知與智能識(shí)別系統(tǒng)。

呂鵬飛

本文通訊作者

江南大學(xué) 研究員

▍主要研究領(lǐng)域

(1)功能納米纖維設(shè)計(jì)與合成；(2)纖維素基智能材料；(3)可穿戴傳感與能量收集系統(tǒng)。

▍主要研究成果

江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院研究員。研究方向聚焦于功能納米纖維的可控構(gòu)建及其在生物傳感、能源存儲(chǔ)、智能響應(yīng)材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其在纖維素基功能材料的開發(fā)與性能調(diào)控方面開展了系統(tǒng)性研究。

▍Email：pengfeilv@jiangnan.edu.cn

魏取福

本文通訊作者

江南大學(xué) 教授

▍主要研究領(lǐng)域

(1)功能納米纖維材料；(2)可穿戴能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；(3)智能紡織品與生態(tài)紡織材料。

▍主要研究成果

江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院教授，生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長(zhǎng)期從事功能納米纖維的可控構(gòu)建及其在智能紡織品、能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、可穿戴傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在納米纖維材料的設(shè)計(jì)合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能集成方面取得了一系列創(chuàng)新成果。

▍Email：qfwei@jiangnan.edu.cn

Chengkuo Lee

本文通訊作者

新加坡國(guó)立大學(xué) 講席教授

▍主要研究領(lǐng)域

(1)MEMS/NEMS傳感技術(shù)；(2)納米光子學(xué)與超材料；(3)能量采集與AIoT智能傳感系統(tǒng)。

▍主要研究成果

新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系Global Foundries講席教授，智能傳感器與MEMS中心主任。長(zhǎng)期從事微納機(jī)電系統(tǒng)、納米光子學(xué)、能量采集及人工智能物聯(lián)網(wǎng)集成傳感系統(tǒng)的研究，在微納傳感技術(shù)與智能系統(tǒng)集成領(lǐng)域取得了系列創(chuàng)新成果。

▍Email：elelc@nus.edu.sg

撰稿：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

編輯：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

往期推薦

可穿戴電子功不可沒！神經(jīng)疾病居家監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)康復(fù)！

智能織物最新突破！“一布多態(tài)”，助力交互式虛擬現(xiàn)實(shí)

柔性電子最新綜述！多功能水凝膠界面：重塑柔性電子的未來

仿生“毛毛蟲”與“蝴蝶”機(jī)器人，僅重50毫克！

多功能摩擦電電子皮膚最新突破！全印刷、可擴(kuò)展、可拉伸

柔性電子皮膚再突破！超快速導(dǎo)汗！

視頻號(hào)：##柔性電子那些事