近年來，受生物體內(nèi)跨膜納米孔道選擇性傳輸離子的啟發(fā)，人工納米多孔膜在傳感、離子分離和滲透能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。然而，傳統(tǒng)的二維納米流體膜存在機械性能差、穩(wěn)定性不足、難以大規(guī)模制備等問題。纖維材料因其柔性和可擴展性成為理想替代品，但納米級通道導致的高內(nèi)阻限制了其能量輸出和傳感靈敏度。氣凝膠纖維雖具有高孔隙率，但在水性環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍是巨大挑戰(zhàn)。

近日，武漢紡織大學王金鳳教授、張守偉博士團隊成功利用廢棄芳綸織物制備出具有三維納米多孔結(jié)構(gòu)的芳綸納米纖維氣凝膠纖維，實現(xiàn)了高效滲透能轉(zhuǎn)換與自供能觸覺傳感。該氣凝膠纖維在500倍氯化鈉濃度梯度下內(nèi)阻僅為約10 kΩ，最大輸出功率密度達17.6 W/m2，并具備25毫秒的快速響應時間和0.2 mN的超低檢測限，展現(xiàn)出在實時運動監(jiān)測中的巨大潛力。相關(guān)論文以“Waste Fabric-Derived Aerogel Fiber for Self-Powered Tactile Sensing with High Sensitivity”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團隊通過濕法紡絲和冷凍干燥技術(shù)，將廢棄芳綸織物轉(zhuǎn)化為均勻、具有納米多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠纖維。圖1展示了仿生自供能力傳感器的設(shè)計靈感：模仿人體皮膚中機械感受器通過離子電流傳遞觸覺信號的機制。制備過程中，芳綸納米纖維在凝固浴中重新形成氫鍵，構(gòu)建出穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最終封裝在聚二甲基硅氧烷中的氣凝膠纖維在受力時可選擇性驅(qū)動陽離子遷移，產(chǎn)生可測電流信號。

圖1. a) 人體皮膚觸覺感知示意圖。 b) ANFs氣凝膠纖維制備流程示意圖。 c) 基于單根ANFs氣凝膠纖維的仿生觸覺傳感器。

圖2揭示了氣凝膠纖維的微觀結(jié)構(gòu)與物理化學特性。掃描電鏡圖像顯示纖維具有明顯的皮層和內(nèi)部納米多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布隨拉伸比調(diào)整而優(yōu)化。傅里葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜證實纖維表面成功引入羧基，賦予其負電性，有利于陽離子選擇性傳輸。X射線衍射顯示纖維結(jié)晶度降低，但通過拉伸處理仍能保持良好的力學性能，拉伸強度隨直徑減小而提升，且具備優(yōu)異的柔韌性，打結(jié)和扭曲后仍保持結(jié)構(gòu)完整。

圖2. a) ANFs氣凝膠纖維表面SEM圖像。插圖為放大圖像。 b,c) ANFs氣凝膠纖維橫截面SEM圖像。 d) BET法測定的ANF氣凝膠纖維孔徑分布。 e) 原始芳綸纖維與ANFs氣凝膠纖維的FTIR光譜。 f) ANF氣凝膠纖維的高分辨率XPS C1s譜。 g) 原始芳綸纖維與ANFs氣凝膠纖維的XRD圖譜。 h) 不同直徑ANFs氣凝膠纖維的應力-應變曲線。 i) ANFs氣凝膠纖維的打結(jié)與扭轉(zhuǎn)展示其柔韌性。

圖3進一步研究了氣凝膠纖維中的離子傳輸機制。電流-電壓曲線表明纖維結(jié)構(gòu)均勻，離子電導受表面電荷調(diào)控。在低鹽濃度下，雙電層重疊促使K?優(yōu)先通過帶負電的納米通道。數(shù)值模擬結(jié)果直觀展示了通道內(nèi)K?富集和Cl?耗散的現(xiàn)象，驗證了表面電荷主導的離子選擇性傳輸機制。在不同濃度梯度下，開路電壓和短路電流隨梯度增大而上升，顯示出良好的滲透能發(fā)電潛力。

圖3. a) 離子傳輸測量實驗裝置示意圖。 b) 不同直徑ANFs氣凝膠纖維在0.1 M KCl中的I-V曲線。 c) 140 μm氣凝膠纖維在不同KCl濃度下的I-V曲線。 d) ANFs氣凝膠纖維離子電導隨KCl濃度變化。 e) ANFs氣凝膠纖維在KCl溶液中浸泡后K?和Cl?濃度分布。 f) ANFs氣凝膠纖維納米通道內(nèi)K?和Cl?濃度分布的模擬結(jié)果（0.001 M KCl）。 g) 在+1 V/?1 V交替電壓下的電流輸出。 h) 140 μm氣凝膠纖維在不同KCl濃度梯度下的I-V曲線。 i) 不同KCl濃度梯度下測得的開路電壓和短路電流。

圖4展示了氣凝膠纖維在滲透能發(fā)電方面的優(yōu)異性能。在模擬海水/河水（50倍NaCl梯度）條件下，最大功率密度達2.0 W/m2，且在3600秒內(nèi)保持穩(wěn)定。不同電解質(zhì)測試表明，離子擴散系數(shù)和電荷數(shù)共同影響輸出功率。在500倍NaCl梯度下，功率密度進一步提升至17.6 W/m2，優(yōu)于多數(shù)已報道的納米流體發(fā)電機。施加外力還可通過增強離子流速進一步提升電流和功率輸出。

圖4. a) 使用電阻負載進行滲透能發(fā)電的示意圖。 b) 不同KCl濃度梯度下，ANFs氣凝膠纖維在不同負載電阻下的電流密度和功率密度。 c) 不同濃度梯度下的最大輸出功率密度。 d) 在1000倍KCl梯度下發(fā)電的長期穩(wěn)定性。 e) 不同直徑ANFs氣凝膠纖維在1000倍KCl梯度下的最大功率密度。

圖5展示了基于該纖維的自供能力傳感器在觸覺感知方面的應用。傳感器在對稱鹽溶液中初始電流為零，外力作用下產(chǎn)生陽離子凈流量，生成電流信號。傳感器響應時間僅為25毫秒，可檢測低至0.2 mN的微小力。模擬結(jié)果顯示，即使20 Pa的微小壓力也能顯著增強離子流速。傳感器在重復按壓和人體關(guān)節(jié)運動監(jiān)測中表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性和可區(qū)分性，甚至可通過莫爾斯電碼傳遞“SOS”、“HELP”等信息，展現(xiàn)出多功能集成潛力。

圖5. a) 基于氣凝膠纖維的自供能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 b) 氣凝膠纖維傳感器對力的時間響應。 c) 氣凝膠纖維傳感器的靈敏度測試。 d) 模擬顯示無壓力及不同壓力下納米通道內(nèi)離子速度的變化。 e) 節(jié)律性敲擊下的重現(xiàn)性測試。 f) 手指彎曲時傳感器產(chǎn)生的電流脈沖。 g,h) 基于ANFs氣凝膠纖維自供能傳感器輸出的“SOS”和“HELP”莫爾斯電碼電流信號模式。

綜上所述，本研究通過廢織物回收制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異的氣凝膠纖維，成功實現(xiàn)了低內(nèi)阻、高功率輸出的滲透能收集和高靈敏度自供能觸覺傳感。該纖維具備柔性和可擴展性，易于集成到可穿戴設(shè)備中，為下一代柔性傳感器的發(fā)展提供了新思路。

來源：高分子科學前沿

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