聶雙喜教授Nano Letters：利用細胞壁納米工程構筑高性能纖維素摩擦電材料

隨著人工智能技術、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注度越來越高，這推動了可穿戴設備的發展。目前，可穿戴設備已不斷應用于多種領域。理想的可穿戴設備應在提供多種功能與設備小型化和輕便之間取得微妙的平衡，從而最大限度地提高用戶舒適度和可穿戴性。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。

針對上述問題，王雙飛院士團隊聶雙喜教授課題組利用細胞壁納米工程技術構筑了一種輕質且高強度的纖維素摩擦電材料。該策略通過對細胞壁結構進行設計，使其具有在不同尺度下相互連接的多級孔隙和良好的結構穩定性。同時，碳納米管（CNTs）在孔隙內負載，形成連續的導電通路。基于纖維素摩擦電材料的傳感器在0-2.25 kPa范圍內表現出33.61 kPa^-1的優異靈敏度，在材料暴露于200℃的高溫環境后仍保持高傳感性能，并對人體運動狀態提供準確的反饋。這項成果以“Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering”為題發表在國際學術期刊《Nano?Letters》上。

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為了細胞壁能夠產生更多孔隙結構，同時保持其宏觀結構完整性，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并產生新的孔隙結構并降低材料密度。材料置于導電溶液中，竹子由于其吸濕特性，在溶液環境下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接的電子傳輸網絡。在木質素被部分去除后，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，納米級或亞納米級尺寸的纖維素納米纖維之間形成了新的孔隙。本研究通過細胞壁工程構建輕質且高強度的多孔纖維素摩擦電材料。得益于纖維素摩擦電材料優異的傳感性能與熱穩定性，基于此制備的摩擦電傳感器在經過200℃高溫處理后，仍然具有良好的傳感性能。將傳感器佩戴于人體不同身體部位，可以實現人體實時監測功能。

圖1.?基于細胞壁納米工程的纖維素摩擦電材料的設計策略。

圖2. 纖維素摩擦電材料的制備與表征。

圖3. 用于消防救援的自供電傳感器。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00458