近期，我校張素風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“High-performance cellulose nanofibers/carbon nanotubes composite for constructing multifunctional sensors and wearable electronics”的研究成果。本工作提出一種羧基化纖維素納米纖維（CNF）介導(dǎo)的水性碳納米管（CNT）的分散方法，基于二者之間的納米尺寸匹配性、氫鍵及π-π堆疊相互作用，得到穩(wěn)定分散的生物基CNF/CNT（CCNT）導(dǎo)電漿液，可在多種基材上采用不同方式構(gòu)建具有多功能先進(jìn)傳感器，在監(jiān)測人體健康方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。同時，基于CCNT復(fù)合體系面內(nèi)取向自組裝特性及CNF的成膜性，制備出具有高導(dǎo)電性和高力學(xué)性能的復(fù)合導(dǎo)電膜。

隨著柔性可穿戴器件、智能健康監(jiān)測和人機(jī)交互系統(tǒng)等的快速發(fā)展，納米纖維素（CNF）與碳納米管（CNT）復(fù)合形成的導(dǎo)電材料，成為柔性電子設(shè)備開發(fā)的重要基礎(chǔ)性材料。然而，CNT結(jié)構(gòu)中較強(qiáng)的范德華力導(dǎo)致其極易發(fā)生團(tuán)聚或纏繞，阻礙了其在柔性電子傳感領(lǐng)域的發(fā)展。納米纖維素因具有一維納米尺寸和表面活性基團(tuán)的可調(diào)控性，被認(rèn)為是理想的CNT分散劑，本研究中，我們使用CNFs作為綠色分散劑將CNT均勻穩(wěn)定地分散在水中，并研究了分散效果和機(jī)理。

圖1 CCNT分散體的制備與表征。(a) C-CNFs提取示意圖；(b) CCNT分散體形成示意圖；(c) 顯示CCNT分散體在水中快速擴(kuò)散的照片；(d) CCNT分散體的TEM圖像；(e) 基于C-CNFs和CNT分子之間的π-π共軛效應(yīng)和靜電排斥協(xié)調(diào)的分散機(jī)制

圖2  CCNT薄膜的表征。(a)薄膜的橫截面形態(tài)；(b)CCNT的蒸發(fā)和真空過濾驅(qū)動自組裝示意圖；(c)具有平面內(nèi)取向的CCNT自組裝薄膜示意圖；(d)不同CCNT復(fù)合薄膜的力學(xué)性能分析；(e)不同組別在不同培養(yǎng)日的細(xì)胞存活率；(f)CNT、CNF和CCNT薄膜的水接觸角；(g)不同CCNT薄膜的導(dǎo)電率和電阻率；(h-j）薄膜在經(jīng)歷500次彎曲、10次扭轉(zhuǎn)和100次膠帶剝離后的電阻變化

圖3 CCNT油墨的應(yīng)用

圖4  基于CCNT的可穿戴應(yīng)變/壓力傳感器在人體運(yùn)動檢測、人體物理信號收集和電子皮膚檢測方面的應(yīng)用

本工作首先展示了CCNT分散體的制備和性能（圖1），以氧化-均質(zhì)法獲得的高羧酸含量的C-CNFs為綠色分散劑，高效分散CNT形成穩(wěn)定的CCNT分散體。通過理化性能表征分析了C-CNFs與CNTs之間的相互作用機(jī)制，并通過分子動力學(xué)模擬驗(yàn)證了二者相互作用機(jī)制的合理性。基于C-CNF的優(yōu)異成膜性，CCNT分散體經(jīng)真空抽濾及蒸發(fā)誘導(dǎo)作用下構(gòu)筑為具有面內(nèi)取向的層層自組裝柔性導(dǎo)電膜（圖2）。高分散穩(wěn)定的CCNT分散體濃縮獲得導(dǎo)電油墨，通過各種技術(shù)再紡織品、紙張和塑料基底上構(gòu)筑成膜電極/圖案化柔性導(dǎo)電材料（圖3），實(shí)現(xiàn)了納米纖維素薄膜基電極制備的可設(shè)計性、低成本和低能耗，并且研究了用于監(jiān)測人類健康和活動的各種傳感器（圖4），充分展示了CNF/CNT基柔性電極在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力?；诮M分材料的易制備性、良好的生物相容性和多用途性，先進(jìn)CCNT復(fù)合材料的開發(fā)將會促進(jìn)CNT在先進(jìn)可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用，這項(xiàng)研究也為柔性電子領(lǐng)域活性材料的開發(fā)和設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

論文信息

Yali Liu, Sufeng Zhang*, Lei Li, Nan Li. High-performance cellulose nanofibers/carbon nanotubes composite for constructing multifunctional sensors and wearable electronics. Adv. Fiber Mater., 2024. https://doi.org/10.1007/s42765-024-00388-7

（核稿：劉國棟 編輯：劉倩）