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聶雙喜教授 AFM：自組裝驅動超分子纏繞的纖維素摩擦電氣凝膠
2024-02-24  來源：高分子科技

  新一代可穿戴電子產(chǎn)品在生物醫(yī)學、個人健康監(jiān)測等領域的快速發(fā)展，具有徹底改變?nèi)祟愇磥砩罘绞降臐摿。在改善功能電子產(chǎn)品魯棒性的同時提高其可持續(xù)穿戴能力（小尺寸、輕量化和自供電性等），是推動上述變革的有效途徑。如，宇航員的太空探索，需要滿足復雜環(huán)境下的快速監(jiān)測（甚至是有毒環(huán)境），同時需要實時的人機交互，以將監(jiān)測信號整合到智能信息網(wǎng)絡中，為穿戴人員的生命健康提供保障；诮佑|起電和靜電感應耦合機制的摩擦電式傳感器，成為改變?nèi)祟惈@取周圍環(huán)境信息的高效工具。新一代摩擦電式傳感器在解決電子產(chǎn)品能源供給問題的同時，拓寬了材料的選擇范圍，以此將靈活賦予傳感設備更多的特殊功能。這為通過定制輕質、堅固的摩擦電材料以協(xié)同提高可穿戴電子產(chǎn)品的魯棒性和持續(xù)可穿戴能力提供了設計思路。



  近日，王雙飛院士團隊聶雙喜教授課題組基于“以患為利”的設計思想，制備了一種具有超高強度和多尺度結構的摩擦電氣凝膠膜。“不利的”自加速效應幫助聚合物分子鏈之間形成多重氫鍵并快速出現(xiàn)凝膠化行為，迅速匹配的雙氫鍵誘導纖維素納米纖維與聚苯胺超分子在納米空間內(nèi)自組裝出具有多尺度纏繞的凝膠結構，同時結合樹葉仿生的增強機制，此氣凝膠膜的拉伸強度提高至104 MPa。基于該氣凝膠膜所構筑的可穿戴摩擦電傳感器顯示出良好的魯棒性和超快的響應（48 ms）。該項成果以題為“Multiscale structural triboelectric aerogels enabled by self-assembly driven supramolecular winding”發(fā)表在最新一期國際學術期刊《Advanced Functional Materials》上。


  本文在研究中發(fā)現(xiàn)在CNF分散液中采用濕化學法直接合成PANI超分子，會使得兩超分子鏈之間形成相互纏繞的結構。PANI超分子本身無法形成自支撐的凝膠結構，因為沿著共軛導電聚合物骨架的離域π電子會引起凝膠基質內(nèi)非連續(xù)導電聚合物網(wǎng)絡產(chǎn)生相分離。而纖維素鏈上高活性的羥基為PANI的生長提供了成核位點，并通過分子間氫鍵形成物理交聯(lián)同時獲得穩(wěn)定的3D結構。在研究過程中一個有趣的現(xiàn)象是，當氧化劑用量稍過量時，反應溶液粘度迅速上升并放出熱量，同時體系中產(chǎn)生大量的活性陽離子自由基，這是自由基聚合反應中典型的自加速行為。但該行為在聚合反應中是“不友好的”，本研究巧妙利用“以患為利”的設計思想，通過溫度和氧化劑的摩爾量調(diào)控該行為的進程。凝膠現(xiàn)象的出現(xiàn)為基質內(nèi)提供了豐富的多重氫鍵，密集的氫鍵網(wǎng)絡將極大的增強氣凝膠的機械性能。 


圖1. 摩擦電氣凝膠的設計靈感。（a）自組裝驅動超分子形成多尺度的纏繞結構。（b）氣凝膠設計中自加速效應的合理利用。（c）展示了由氣凝膠膜所構筑的摩擦電式微型傳感器。（d）該傳感器的可集成性、可穿戴性能以及有毒環(huán)境中的高魯棒性。 


圖2. 摩擦電氣凝膠膜的制備策略。（a）摩擦電氣凝膠膜制備與組裝過程。（b）氣凝膠設計中自加速行為的具體化學原理。（c）氣凝膠膜內(nèi)部豐富的交叉纏繞結構（SEM圖）。（d）凝膠化過程中PANI超分子對CNF的包裹（TEM圖）。（e）摩擦電氣凝膠膜的拉伸應力-應變曲線。（f）摩擦電氣凝膠膜的增量孔隙分布和累積孔隙體積。 


圖3. 摩擦電氣凝膠的結構演化。（a）纖維素二糖和苯胺的分子靜電勢（MEP）。（b）氣凝膠在自組裝驅動過程中不同狀態(tài)涉及的反應。（c）PANI超分子在組裝過程中形成的納米級樹杈狀結構（TEM圖）。（d）XRD圖譜表征了結晶度的變化。（e）摩擦電氣凝膠中主要元素的分布。（f）XPS全譜圖顯示出不同酸度條件下摩擦電氣凝膠具有的不同摻雜度。（g-h）評估不同酸度摩擦電氣凝膠的成分變化與電導率。 


圖4.氣凝膠基摩擦電式傳感器的性能。（a）摩擦電式傳感器的結構組成。（b）傳感器的自供電工作機制。（c）不同氣凝膠的摩擦電性能對比。（d）氣凝膠基摩擦電傳感器的響應時間與恢復時間。（e-f）評估氣凝膠基傳感器的在不同負載下的輸出與功率。（g）不同溫度下傳感器的響應特性。（h）不同頻率下傳感器的輸出性能。（i）傳感器的耐久性測試。（j）摩擦電傳感器的集成化展示。 


圖5.傳感器在有毒環(huán)境的多功能應用。（a）自供電傳感器的多功能傳感方案。（b）可穿戴傳感器對有毒環(huán)境（NH3）中的響應機理。（c-d）可穿戴傳感器通過摩爾斯密碼實現(xiàn)人機交互。（e）傳感器在低溫狀態(tài)下對不同濃度氨氣的響應。（f）傳感器對毒氣環(huán)境的響應時間。（g）傳感器對毒氣環(huán)境的響應擬合曲線。（h）以及對不同有毒環(huán)境的識別。（i）可穿戴傳感器通過藍牙實現(xiàn)實時的信息交互。（j-k）傳感器有毒環(huán)境中通過莫爾斯電碼進行通信。


  這項工作通過對傳統(tǒng)自由基聚合反應中“不利的”自加速效應進行合理控制，制備了一種具有多尺度纏繞結構的纖維素基摩擦電氣凝膠，并基于此材料開發(fā)了一種用于有毒環(huán)境中的高魯棒性自供電傳感器。這種“以患為利”的有趣設計思想，為高性能氣凝膠的簡便制備提供了參考，以此構建的自供電傳感器有望促進可穿戴產(chǎn)品在復雜環(huán)境中的進一步應用。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400476

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（責任編輯：xu）
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