隨著人工智慧技術、材料科學、生物工程、電子學和數據分析技術的快速發展，人們對人體監測的關註度越來越高，這推動了可穿戴裝置的發展。目前，可穿戴裝置已不斷套用於多種領域。理想的可穿戴裝置在提供多種功能與裝置小型化和輕便之間取得微妙的平衡，從而最大限度地提高使用者舒適度和可穿戴性。幸運的是，摩擦電傳感器的開發為解決小型化、輕便和能源需求難題提供了一個有前景的解決方案。
近日， 王雙飛院士團隊 聶雙喜教授課題組利用細胞壁奈米工程構築了一種輕質且高強度的纖維素摩擦電材料。該策略透過對細胞壁結構進行設計，使其具有在不同尺度下相互連線的多級孔隙和良好的結構穩定性。同時，碳奈米管（CNTs）在孔內負載，形成連續的導電通路。基於纖維素摩擦電材料的傳感器在0-2.25 kPa範圍內表現出33.61 kPa-1的優異靈敏度，在材料暴露於200℃的高溫環境後仍保持高傳感效能，並提供對人體運動狀態準確的反饋。該項成果以題為「 Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering 」發表在國際學術期刊【 Nano Letters 】（IF=10.8）上。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00458
透過對竹細胞壁選擇性地水解，去除木質素和半纖維素，有效軟化剛性原纖維並產生新的孔隙結構並降低材料密度。將材料置於導電溶液中，竹子由於其吸濕特性，導電材料會隨著水分滲入細胞壁、管腔表面和內部孔隙，在多孔微通道中形成相互連線的電子傳輸網路。在木質素被部份移除後，線性排列的纖維素鏈和木質素分子鏈之間的結合作用減弱，奈米級或亞奈米級尺寸的纖維素奈米纖維之間形成了新的孔隙。本研究透過細胞壁工程構築了一種輕質、高強度的多孔纖維素摩擦電材料。得益於纖維素摩擦電材料優異的傳感效能與熱穩定性，基於此制備的摩擦電傳感器在經過200℃高溫處理後，仍然具有良好的傳感效能。將傳感器佩戴於人體不同身體部位，可以實作人體即時監測功能。
圖1. 基於細胞壁奈米工程的纖維素摩擦電材料設計策略。（a）細胞壁奈米工程示意圖，（i）薄壁微纖維取向結構模型，（ii）細胞壁原始結構，（iii）脫木質素處理，（iv）細胞壁填充（導電材料浸漬）。（b）多尺度的竹結構。
圖2. 纖維素摩擦電材料的制備與表征。（a）過氧乙酸解聚木質素過程示意圖。（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射線繞射圖譜。（e）機械效能。（f）熱穩定性。
圖3. 細胞壁奈米工程對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影像。（b）Micro-CT影像。（c）孔徑分布直方圖。（d）壓縮應力-應變曲線。（e）天然竹子、纖維素支架和纖維素摩擦電材料的電壓訊號。（f）壓縮過程的有限元模擬（i）和原理圖（ii）。
圖4. 摩擦電傳感器的工作原理與壓力傳感效能。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（25℃）。（c）在49 kPa的頻率響應效能。（d）在不同應力下的靈敏度。（e）不同壓力下的電導率和響應恢復時間。（f）高溫後在不同壓力下產生的電訊號。（g）在高溫極端環境的響應和恢復時間。（h）常溫和高溫下2000個負載迴圈期間的電壓訊號變化。
圖5. 用於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）不同壓力的電壓訊號。（c）有無負載的電壓訊號。（d）傳感器在不同手臂彎曲狀態下的感測訊號曲線。（e）傳感器基於兩個自供電傳感器的緊急手勢區分。（f）膝關節不同彎曲狀態和（g）不同走路狀態的訊號檢測。（h）不同步態的訊號檢測。
這項工作透過細胞壁奈米工程技術制備了一種輕質且高強度的纖維素摩擦電材料，並基於此開發了一種用於人體運動監測的自供電傳感器。纖維素摩擦電材料展現出優異的穩定性，在經歷200℃的高溫環境後仍展現出良好的傳感效能，允許精確的即時運動跟蹤。該研究為多孔纖維素摩擦電材料的設計提供了新的思路，並有望促進可穿戴電子裝置在極端環境下的套用。
來自微信公眾號「材料科學與工程」。感謝論文作者團隊供稿支持。
