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  隨著創(chuàng)新技術(shù)的快速發(fā)展，柔性壓力傳感器因其在實時在線醫(yī)療監(jiān)測、便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品、智能機器人和人體運動跟蹤等方面的巨大應用潛力而受到廣泛關(guān)注，特別是柔性壓阻傳感器的快速增長同時伴隨著對綠色、多功能和高性能材料的巨大需求。此外，由無線網(wǎng)絡控制的復雜電路和微小的電子元件會產(chǎn)生對電子設備和人體健康有害的電磁輻射，傳感設備的使用耐久性和穩(wěn)定性等都是目前亟需解決的一大難題。因此，在確保其功能性的同時，克服可穿戴柔性材料存在的缺陷和問題仍然具有很大挑戰(zhàn)性。

  針對以上問題，蒲俊文教授團隊受天然木材分層3D微觀結(jié)構(gòu)和多孔通道結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過脫木素預處理得到可適用于功能納米粒子組裝的纖維素骨架（CS）。CS繼承了天然木材多層級結(jié)構(gòu)、可提供強力支撐并且可充當活性材料基質(zhì)的特點。通過將CNT/MXene（CM）復合納米片引入，使絕緣木纖維獲得導電性和電磁屏蔽性。該團隊近一步在CM/CS表面包覆聚二甲基硅氧烷 (PDMS)以增強材料力學性能和耐久性能。相較于常見的壓縮強度僅有十幾KPa的纖維基壓阻傳感材料，CMP/CS表現(xiàn)出較高的力學強度，其最大壓縮應力可達1.53 MPa。同時， CMP/CS表面具有超強的疏水性能，可抵抗各種化學腐蝕和防機械損傷的能力。

圖1. 彈性，多功能，木質(zhì)復合材料的合成程序示意圖。

  研究發(fā)現(xiàn)，CMP/CS優(yōu)異的力學性質(zhì)關(guān)鍵之處在于PDMS和纖維素纖維之間軟硬微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。具體而言，（1）在宏觀尺度上，由高度排列的纖維素纖維組成的細胞壁有利于消散外部應力并產(chǎn)生較大的變形。（2）在微觀尺度上，CMP/CS具有纖維素纖維和 PDMS 的“硬-軟”協(xié)同特性，被“軟”PDMS包裹的“硬”纖維素纖維強烈融合形成堅固的復合納米纖維和穩(wěn)定的交聯(lián)納米結(jié)構(gòu)，這有利于提高CMP/CS的抗壓縮性能�！坝�-軟”界面的分層組合賦予了 CMP/CS 復合材料優(yōu)異的力學性能，這將有助于其在不同特種材料領(lǐng)域的實際應用。

圖2. CS和CMP/CS復合材料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征。(a, b) CS的SEM圖像:(a)截面圖和(b)纖維生長方向圖。(c, d) CMP/CS復合材料的SEM圖像:(c)截面圖和(d)纖維生長方向圖。(e) CMP/CS橫斷面元素分布情況。 (f)純MXene納米片、CS和CMP/CS復合材料的XPS譜圖。

  此外，1D管狀CNT在2D MXene納米片之間可充當“導電橋”的作用，因此CMP/CS電導率可達9.8 S cm^-1, CM導電層使纖維素骨架具備了優(yōu)異的導電性能。此外，具有互連通道的多孔 CMP/CS 復合材料可以看作是一個以吸收為主的 3D電磁波“捕獲器”。CMP/CS 復合材料的高孔隙率導致阻抗失配降低，入射電磁微波很容易進入反射率較低的通道。入射電磁波沿著狹長的“陷阱”通道多次反射并衰減。不均勻的界面通道增加了 CMP/CS 復合材料內(nèi)部的散射。因此，電磁能被沉積在 CS 上的 CM 復合納米片逐漸吸收和消散。這使得微波在被吸收之前很難從多孔 CMP/CS 復合材料中逸出。因此，CMP/CS復合材料具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能（在X波段EMI SE可達28.4-29.3 dB）滿足了商業(yè)應用的要求。

圖3. CMP/CS復合材料組裝成可穿戴應變傳感器，實時監(jiān)測各種運動。(a) 50%應變下傳感器在不同頻率下的相對信號變化。(b)傳感器循環(huán)穩(wěn)定性測試。(c)傳感器靈敏檢測。(d，e)不同應用場景下對運動行為的靈敏檢測。

  得益于高壓縮、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和優(yōu)異導電性，CMP/CS可以作為適形可壓縮傳感器直接貼附在人體皮膚或關(guān)節(jié)上，檢測人體劇烈運動或聲音識別等微小生理活動。這種利用綠色和可再生的生物資源制備多功能壓阻傳感器，在便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品、智能機器人和人機交互界面等領(lǐng)域具有潛在應用前景。

  該研究成果以“Lightweight and elastic wood-derived composites for pressure sensing and electromagnetic interference shielding”為題在線發(fā)表在《Composites Science and Technology》期刊上。論文第一作者是2020級博士研究生王振興，蒲俊文教授為該工作的通訊作者，該工作得到《石墨烯材料應用于木材改性及特種紙加工技術(shù)的研究》項目的資助。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353821002876