聶雙喜教授2024最新AFM：自組裝驅動超分子纏繞的纖維素摩擦電氣凝膠

新一代可穿戴電子產品在生物醫學、個人健康監測等領域的快速發展，具有徹底改變人類未來生活方式的潛力。在改善功能電子產品魯棒性的同時提高其可持續穿戴能力（小尺寸、輕量化和自供電性等），是推動上述變革的有效途徑。新一代摩擦電式傳感器在解決電子產品能源供給問題的同時，拓寬了材料的選擇范圍，以此將靈活賦予可穿戴傳感設備更多的特殊功能。

為了高魯棒性可穿戴傳感設備的發展，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”發表在最新一期國際學術期刊《Advanced Functional Materials》上。

本文在研究中發現在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非連續導電聚合物網絡產生相分離。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同時獲得穩定的3D結構。在研究過程中一個有趣的現象是，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（Trommsdorff–Norrish Effect）。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控該行為的進程。凝膠現象的出現為基質內提供了豐富的多重氫鍵，密集的氫鍵網絡將極大的增強氣凝膠的機械性能。

由于該摩擦電氣凝膠具有出色的可加工性，通過合理的結構設計可以構筑為摩擦電式微型傳感器。該傳感器的輕量化和小型化可以輕松實現多陣列集成，并通過收集來的生物機械能實現自供電的能力。得益于摩擦電氣凝膠優異的柔韌性，使微型傳感器可以輕松作為可穿戴電子產品佩戴于人體多個部分。魯棒性是可穿戴電子產品的發展趨勢，后續研究中發現，該傳感器在有毒的環境中仍然能夠快速監測并實現穿戴人員與信息網絡的實時交互。

圖1. 利用自加速效應實現自組裝驅動超分子纏繞的纖維素摩擦電氣凝膠。

圖2. 摩擦電氣凝膠膜的制備工藝和結構。

圖3.?摩擦電傳感器在有毒環境中的快速監測與實時交互。

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