近期，我校張素風教授團隊在Advanced Fiber Materials上發表了題為“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，得到穩定分散的生物基CNF/CNT（CCNT）導電漿液，可在多種基材上采用不同方式構建具有多功能先進傳感器，在監測人體健康方面表現出優異的性能。同時，基于CCNT復合體系面內取向自組裝特性及CNF的成膜性，制備出具有高導電性和高力學性能的復合導電膜。
隨著柔性可穿戴器件、智能健康監測和人機交互系統等的快速發展，納米纖維素（CNF）與碳納米管（CNT）復合形成的導電材料，成為柔性電子設備開發的重要基礎性材料。然而，CNT結構中較強的范德華力導致其極易發生團聚或纏繞，阻礙了其在柔性電子傳感領域的發展。納米纖維素因具有一維納米尺寸和表面活性基團的可調控性，被認為是理想的CNT分散劑，本研究中，我們使用CNFs作為綠色分散劑將CNT均勻穩定地分散在水中，并研究了分散效果和機理。
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共軛效應和靜電排斥協調的分散機制
圖2 CCNT薄膜的表征。(a)薄膜的橫截面形態；(b)CCNT的蒸發和真空過濾驅動自組裝示意圖；(c)具有平面內取向的CCNT自組裝薄膜示意圖；(d)不同CCNT復合薄膜的力學性能分析；(e)不同組別在不同培養日的細胞存活率；(f)CNT、CNF和CCNT薄膜的水接觸角；(g)不同CCNT薄膜的導電率和電阻率；(h-j）薄膜在經歷500次彎曲、10次扭轉和100次膠帶剝離后的電阻變化
圖3 CCNT油墨的應用
圖4 基于CCNT的可穿戴應變/壓力傳感器在人體運動檢測、人體物理信號收集和電子皮膚檢測方面的應用
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之間的相互作用機制，并通過分子動力學模擬驗證了二者相互作用機制的合理性。基于C-CNF的優異成膜性，CCNT分散體經真空抽濾及蒸發誘導作用下構筑為具有面內取向的層層自組裝柔性導電膜（圖2）。高分散穩定的CCNT分散體濃縮獲得導電油墨，通過各種技術再紡織品、紙張和塑料基底上構筑成膜電極/圖案化柔性導電材料（圖3），實現了納米纖維素薄膜基電極制備的可設計性、低成本和低能耗，并且研究了用于監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備領域巨大的應用潛力。基于組分材料的易制備性、良好的生物相容性和多用途性，先進CCNT復合材料的開發將會促進CNT在先進可穿戴設備中的應用，這項研究也為柔性電子領域活性材料的開發和設計提供了理論基礎和實驗依據。
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）
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