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聶雙喜教授 Nano Lett.：利用細(xì)胞壁納米工程構(gòu)筑高性能纖維素摩擦電材料
2024-03-06  來(lái)源：高分子科技

  隨著人工智能技術(shù)、材料科學(xué)、生物工程、電子學(xué)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)人體監(jiān)測(cè)的關(guān)注度越來(lái)越高，這推動(dòng)了可穿戴設(shè)備的發(fā)展。目前，可穿戴設(shè)備已不斷應(yīng)用于多種領(lǐng)域。理想的可穿戴設(shè)備在提供多種功能與設(shè)備小型化和輕便之間取得微妙的平衡，從而最大限度地提高用戶舒適度和可穿戴性。幸運(yùn)的是，摩擦電傳感器的開發(fā)為解決小型化、輕便和能源需求難題提供了一個(gè)有前景的解決方案。



  近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)聶雙喜教授課題組利用細(xì)胞壁納米工程構(gòu)筑了一種輕質(zhì)且高強(qiáng)度的纖維素摩擦電材料。該策略通過(guò)對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有在不同尺度下相互連接的多級(jí)孔隙和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，碳納米管（CNTs）在孔內(nèi)負(fù)載，形成連續(xù)的導(dǎo)電通路。基于纖維素摩擦電材料的傳感器在0-2.25 kPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出33.61 kPa-1的優(yōu)異靈敏度，在材料暴露于200℃的高溫環(huán)境后仍保持高傳感性能，并提供對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)準(zhǔn)確的反饋。該項(xiàng)成果以題為“Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》（IF=10.8）上。


  通過(guò)對(duì)竹細(xì)胞壁選擇性地水解，去除木質(zhì)素和半纖維素，有效軟化剛性原纖維并產(chǎn)生新的孔隙結(jié)構(gòu)并降低材料密度。將材料置于導(dǎo)電溶液中，竹子由于其吸濕特性，導(dǎo)電材料會(huì)隨著水分滲入細(xì)胞壁、管腔表面和內(nèi)部孔隙，在多孔微通道中形成相互連接的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)。在木質(zhì)素被部分移除后，線性排列的纖維素鏈和木質(zhì)素分子鏈之間的結(jié)合作用減弱，納米級(jí)或亞納米級(jí)尺寸的纖維素納米纖維之間形成了新的孔隙。本研究通過(guò)細(xì)胞壁工程構(gòu)筑了一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度的多孔纖維素摩擦電材料。得益于纖維素摩擦電材料優(yōu)異的傳感性能與熱穩(wěn)定性，基于此制備的摩擦電傳感器在經(jīng)過(guò)200℃高溫處理后，仍然具有良好的傳感性能。將傳感器佩戴于人體不同身體部位，可以實(shí)現(xiàn)人體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。 


圖1. 基于細(xì)胞壁納米工程的纖維素摩擦電材料設(shè)計(jì)策略。（a）細(xì)胞壁納米工程示意圖，（i）薄壁微纖維取向結(jié)構(gòu)模型，（ii）細(xì)胞壁原始結(jié)構(gòu)，（iii）脫木質(zhì)素處理，（iv）細(xì)胞壁填充（導(dǎo)電材料浸漬）。（b）多尺度的竹結(jié)構(gòu)。 


圖2. 纖維素摩擦電材料的制備與表征。（a）過(guò)氧乙酸解聚木質(zhì)素過(guò)程示意圖。（b）纖維素摩擦電材料的合成路線。（c）X射線光電子能譜圖。（d）X射線衍射圖譜。（e）機(jī)械性能。（f）熱穩(wěn)定性。 


圖3. 細(xì)胞壁納米工程對(duì)纖維素支架孔隙率的影響。（a）不同孔隙率的纖維素支架示意圖，附圖為SEM圖像。（b）Micro-CT圖像。（c）孔徑分布直方圖。（d）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e）天然竹子、纖維素支架和纖維素摩擦電材料的電壓信號(hào)。（f）壓縮過(guò)程的有限元模擬（i）和原理圖（ii）。 


圖4. 摩擦電傳感器的工作原理與壓力傳感性能。摩擦電傳感器（a）常溫（i）和高溫（ii）下的壓力傳感示意圖。（b）在2.45 kPa-98 kPa的不同壓力下的多重響應(yīng)（25℃）。（c）在49 kPa的頻率響應(yīng)性能。（d）在不同應(yīng)力下的靈敏度。（e）不同壓力下的電導(dǎo)率和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。（f）高溫后在不同壓力下產(chǎn)生的電信號(hào)。（g）在高溫極端環(huán)境的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。（h）常溫和高溫下2000個(gè)負(fù)載循環(huán)期間的電壓信號(hào)變化。 


圖5. 用于消防救援的自供電傳感器。（a）安裝在消防服上的自供電傳感器的示意圖。（b）不同壓力的電壓信號(hào)。（c）有無(wú)負(fù)載的電壓信號(hào)。（d）傳感器在不同手臂彎曲狀態(tài)下的感測(cè)信號(hào)曲線。（e）傳感器基于兩個(gè)自供電傳感器的緊急手勢(shì)區(qū)分。（f）膝關(guān)節(jié)不同彎曲狀態(tài)和（g）不同走路狀態(tài)的信號(hào)檢測(cè)。（h）不同步態(tài)的信號(hào)檢測(cè)。


  這項(xiàng)工作通過(guò)細(xì)胞壁納米工程技術(shù)制備了一種輕質(zhì)且高強(qiáng)度的纖維素摩擦電材料，并基于此開發(fā)了一種用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的自供電傳感器。纖維素摩擦電材料展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在經(jīng)歷200℃的高溫環(huán)境后仍展現(xiàn)出良好的傳感性能，允許精確的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤。該研究為多孔纖維素摩擦電材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路，并有望促進(jìn)可穿戴電子設(shè)備在極端環(huán)境下的應(yīng)用。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00458

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