南開大學梁嘉杰/中科大吳恒安《Adv. Mater.》：超強、超韌、高魯棒性MXene復合纖維及其于電子織物應用
高魯棒性和多功能性是制備高性能納米復合纖維及其電子織物的關鍵參數。在實際應用中，電子紡織產品通常需要貼合或佩戴在人體上。人體運動伴隨著不規則的皮膚變形，不可避免地拉伸或彎曲電子紡織產品。因此，當受到應變或應力的干擾時，仍舊可以穩定且精準的檢測人體信號，在智能可穿戴應用中具有重要應用前景。但受到材料結構效關系的制約，傳統納米復合纖維材料難以在動態應變條件下同時實現高魯棒性和多功能性，因此，實現具有高結構魯棒性和高應變損傷抵抗性的高性能多功能纖維仍然是一個巨大的挑戰。
近期，南開大學梁嘉杰教授和中科大吳恒安團隊合作，報告了一種將機械互鎖結構引入纖維結構的策略，該結構以功能納米材料作為連續相，以實現高性能的多功能納米復合纖維（高導電，優異電化學性能等），且具有優異的應變干擾魯棒性（高強，高韌，高延展性）。該團隊利用具有優異的機械、電氣、結構和化學性能的2D碳化鈦MXene（Ti3C2Tx）納米片作為基體材料。但是，MXene基纖維通常具有低延展性、低韌性和較差的魯棒性。為了克服這些問題，在MXene纖維中引入了機械互鎖聚合物聚輪烷作為粘合劑。該聚輪烷由線性聚合物客體（聚乙二醇）（PEG）和多個環狀分子主體（α-環糊精（α-CD））組成，其中α-CD可以沿著PEG主鏈滑動，當聚輪烷的可移動主體分子與基體材料部分交聯時，可以在纖維內部形成機械聯鎖網絡結構。在拉伸材料時，通過調整機械聯鎖網絡（也稱為“滑輪”效應），將整個結構的施加應力集中降至最低，這賦予了該結構優異的機械適應性和抗應變的魯棒性。該MXene納米片和滑環聚輪烷所制成的高性能多功能納米復合纖維，具有優異的抗應變干擾能力，其中，MXene納米片基質被聚輪烷交聯，在多層纖維結構內部產生機械互鎖結構（圖1a），這賦予了該納米復合纖維三個明顯的優勢，它們包括：（1）突出的多功能性，包括高電導率（超過1.1×105S/m）、高體積電容（超過360 F/cm3）和高機電性能；（2） 卓越的承載能力，具有超過500 MPa的拉伸強度、超過27%破紀錄的延展性和約60 MJ/m3的高韌性；（3） 獨特的應變硬化機械行為使得即使在大應變下也能對纖維中的結構缺陷形成具有優異的抵抗力。該納米復合纖維具有優異的機電穩定性，在大應變變形和長期重復（>10000次循環）應變載荷下保持了100%的機械延展性和導電性（圖2）。
圖1 MXene復合纖維的輪滑結構和MD模擬示意圖.
圖2 MXene復合纖維的機械和電氣魯棒性。
為了評估MXene復合纖維在現實場景中的應用潛力，團隊首先將納米復合纖維應用于可穿戴電子設備中，作為應變傳感器，以監測和辨別干擾下人體發出的微小力信號。將MXene復合纖維和商業尼龍纖維通過傳統的織布機編織成可穿戴的電子織物，將其連接或放置在可變形人體上，以監測人體皮膚不同拉伸變形狀態下的生理信息。將該織物應變傳感器佩戴在一名25歲男性志愿者的手腕上，可以準確、穩定地監測微小的脈搏信號。重要的是，該織物應變傳感器展現出很高的抗干擾能力，即使在可穿戴傳感器處于各種拉伸和變形狀態下，也能很好地進行實時脈搏監測和人體健康信號的獲取（圖3）。
圖3 抗干擾MXene復合纖維織物的傳感應用
團隊進一步研究了該MXene復合纖維在紡織電子產品中作為超級電容器電極在水系電解質中的性能。該纖維電極在5m V/s的掃描速率下表現出362 F/cm3的高體積電容，在20 A/cm3下進行25000次充電/放電循環后，該纖維電極高度穩定，電容保持率接近100%；在25%的拉伸應變下，MXene復合纖維電極幾乎保留了100%的電容。此外，該纖維電極對循環施加的拉伸應變（超過10000次循環）顯示出分別在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%之間的不變電容（100%保持率）。為了進一步評估MXene復合纖維在全電池中的潛在用途，使用MXene復合纖維作為負極和正極纖維電極，組裝了對稱的纖維超級電容器，當該纖維超級電容器在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%的應變之間進行10000次拉伸循環時，在不同電流密度下的GCD曲線幾乎維持不變（圖4h）。此外，該MXene復合纖維表現出5.2–7.6 mW/cm3范圍內的高能量密度，相應的功率密度范圍為3.4–0.7 W/cm3，這些值優于大多數報告的纖維狀超級電容器。即使當纖維超級電容器在不同應變下重復拉伸超過10000次循環時，該體積能量和功率密度均表現出超高的電化學魯棒性（圖4i）。該工作以“Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics”為題發表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是南開大學谷建鋒博士、博士生李鳳超及中科大朱銀波副教授為共同第一作者。
圖4基于MXene復合纖維的超級電容器的電化學魯棒性
該工作是梁嘉杰團隊近年來在多功能納米復合材料的制備與柔性可穿戴電子結構的研究中取得了新進展之一。設計高魯棒性和多功能性觸覺傳感材料，發展高性能和高靈敏傳感機制，實現高效的柔性傳感器件構筑，是柔性可穿戴領域發展面臨的重要挑戰。針對此，團隊基于高分子流變學Doi-Edwards理論，發展一系列可印刷高分子納米傳感復合材料，通過先進印刷打印技術構建可穿戴傳感和功能器件整列（ACS nano 2022, 16, 12677; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479；Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987；Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794；Adv. Mater. 2018, 30, 1804165）。此外，團隊提出了多重界面與多級結構協同策略，發展了一系列高性能的高分子納米復合傳感材料，實現了應變、壓力、溫度等觸覺傳感性能的在靈敏度、檢測限、檢測精度、以及使用壽命上的重要突破（Nat. Commun. 2022, 13, 1119; Matter 2022, 5, 1547; ACS Nano 2019, 13, 649; ACS Nano 2019, 13, 8124）。團隊還深入探索了觸覺傳感機理，提出“電子-熱電子”傳感機制，制備了雙響應納米復合材料，實現對“應變-溫度”雙重觸覺獨立響應性（Nano Lett. 2022, 22, 4459; Nano Lett. 2020, 20, 6176）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202209527
梁嘉杰教授簡介
梁嘉杰，南開大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。2011年博士畢業于南開大學高分子研究所；隨后加入美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國Polyradiant公司（高級研發工程師）；2016年加入南開大學材料科學與工程學院開展獨立工作，建立柔性印刷功能器件實驗室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復合材料及其在柔性印刷功能器件的構建和集成中的應用。研究領域涵蓋高分子化學與物理、材料科學與工程、化學、電子工程學以及物理學等眾多交叉學科。近年來發表論文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國際著名期刊雜志，其中9篇入選ESI Top 1%高被引論文，論文他引9000多次。入選國家級青年人才項目，天津市中青年科技創新領軍人才，并獲天津市杰出青年基金。
