南开大学梁嘉杰/中科大吴恒安《Adv. Mater.》：超强、超韧、高鲁棒性MXene复合纤维及其于电子织物应用
高鲁棒性和多功能性是制备高性能纳米复合纤维及其电子织物的关键参数。在实际应用中，电子纺织产品通常需要贴合或佩戴在人体上。人体运动伴随着不规则的皮肤变形，不可避免地拉伸或弯曲电子纺织产品。因此，当受到应变或应力的干扰时，仍旧可以稳定且精准的检测人体信号，在智能可穿戴应用中具有重要应用前景。但受到材料结构效关系的制约，传统纳米复合纤维材料难以在动态应变条件下同时实现高鲁棒性和多功能性，因此，实现具有高结构鲁棒性和高应变损伤抵抗性的高性能多功能纤维仍然是一个巨大的挑战。
近期，南开大学梁嘉杰教授和中科大吴恒安团队合作，报告了一种将机械互锁结构引入纤维结构的策略，该结构以功能纳米材料作为连续相，以实现高性能的多功能纳米复合纤维（高导电，优异电化学性能等），且具有优异的应变干扰鲁棒性（高强，高韧，高延展性）。该团队利用具有优异的机械、电气、结构和化学性能的2D碳化钛MXene（Ti3C2Tx）纳米片作为基体材料。但是，MXene基纤维通常具有低延展性、低韧性和较差的鲁棒性。为了克服这些问题，在MXene纤维中引入了机械互锁聚合物聚轮烷作为粘合剂。该聚轮烷由线性聚合物客体（聚乙二醇）（PEG）和多个环状分子主体（α-环糊精（α-CD））组成，其中α-CD可以沿着PEG主链滑动，当聚轮烷的可移动主体分子与基体材料部分交联时，可以在纤维内部形成机械联锁网络结构。在拉伸材料时，通过调整机械联锁网络（也称为“滑轮”效应），将整个结构的施加应力集中降至最低，这赋予了该结构优异的机械适应性和抗应变的鲁棒性。该MXene纳米片和滑环聚轮烷所制成的高性能多功能纳米复合纤维，具有优异的抗应变干扰能力，其中，MXene纳米片基质被聚轮烷交联，在多层纤维结构内部产生机械互锁结构（图1a），这赋予了该纳米复合纤维三个明显的优势，它们包括：（1）突出的多功能性，包括高电导率（超过1.1×105S/m）、高体积电容（超过360 F/cm3）和高机电性能；（2） 卓越的承载能力，具有超过500 MPa的拉伸强度、超过27%破纪录的延展性和约60 MJ/m3的高韧性；（3） 独特的应变硬化机械行为使得即使在大应变下也能对纤维中的结构缺陷形成具有优异的抵抗力。该纳米复合纤维具有优异的机电稳定性，在大应变变形和长期重复（>10000次循环）应变载荷下保持了100%的机械延展性和导电性（图2）。
图1 MXene复合纤维的轮滑结构和MD模拟示意图.
图2 MXene复合纤维的机械和电气鲁棒性。
为了评估MXene复合纤维在现实场景中的应用潜力，团队首先将纳米复合纤维应用于可穿戴电子设备中，作为应变传感器，以监测和辨别干扰下人体发出的微小力信号。将MXene复合纤维和商业尼龙纤维通过传统的织布机编织成可穿戴的电子织物，将其连接或放置在可变形人体上，以监测人体皮肤不同拉伸变形状态下的生理信息。将该织物应变传感器佩戴在一名25岁男性志愿者的手腕上，可以准确、稳定地监测微小的脉搏信号。重要的是，该织物应变传感器展现出很高的抗干扰能力，即使在可穿戴传感器处于各种拉伸和变形状态下，也能很好地进行实时脉搏监测和人体健康信号的获取（图3）。
图3 抗干扰MXene复合纤维织物的传感应用
团队进一步研究了该MXene复合纤维在纺织电子产品中作为超级电容器电极在水系电解质中的性能。该纤维电极在5m V/s的扫描速率下表现出362 F/cm3的高体积电容，在20 A/cm3下进行25000次充电/放电循环后，该纤维电极高度稳定，电容保持率接近100%；在25%的拉伸应变下，MXene复合纤维电极几乎保留了100%的电容。此外，该纤维电极对循环施加的拉伸应变（超过10000次循环）显示出分别在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%之间的不变电容（100%保持率）。为了进一步评估MXene复合纤维在全电池中的潜在用途，使用MXene复合纤维作为负极和正极纤维电极，组装了对称的纤维超级电容器，当该纤维超级电容器在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%的应变之间进行10000次拉伸循环时，在不同电流密度下的GCD曲线几乎维持不变（图4h）。此外，该MXene复合纤维表现出5.2–7.6 mW/cm3范围内的高能量密度，相应的功率密度范围为3.4–0.7 W/cm3，这些值优于大多数报告的纤维状超级电容器。即使当纤维超级电容器在不同应变下重复拉伸超过10000次循环时，该体积能量和功率密度均表现出超高的电化学鲁棒性（图4i）。该工作以“Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics”为题发表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是南开大学谷建锋博士、博士生李凤超及中科大朱银波副教授为共同第一作者。
图4基于MXene复合纤维的超级电容器的电化学鲁棒性
该工作是梁嘉杰团队近年来在多功能纳米复合材料的制备与柔性可穿戴电子结构的研究中取得了新进展之一。设计高鲁棒性和多功能性触觉传感材料，发展高性能和高灵敏传感机制，实现高效的柔性传感器件构筑，是柔性可穿戴领域发展面临的重要挑战。针对此，团队基于高分子流变学Doi-Edwards理论，发展一系列可印刷高分子纳米传感复合材料，通过先进印刷打印技术构建可穿戴传感和功能器件整列（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，团队提出了多重界面与多级结构协同策略，发展了一系列高性能的高分子纳米复合传感材料，实现了应变、压力、温度等触觉传感性能的在灵敏度、检测限、检测精度、以及使用寿命上的重要突破（Nat. Commun. 2022, 13, 1119; Matter 2022, 5, 1547; ACS Nano 2019, 13, 649; ACS Nano 2019, 13, 8124）。团队还深入探索了触觉传感机理，提出“电子-热电子”传感机制，制备了双响应纳米复合材料，实现对“应变-温度”双重触觉独立响应性（Nano Lett. 2022, 22, 4459; Nano Lett. 2020, 20, 6176）。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202209527
梁嘉杰教授简介
梁嘉杰，南开大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2011年博士毕业于南开大学高分子研究所；随后加入美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究工作；2014年加入美国Polyradiant公司（高级研发工程师）；2016年加入南开大学材料科学与工程学院开展独立工作，建立柔性印刷功能器件实验室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子纳米复合材料及其在柔性印刷功能器件的构建和集成中的应用。研究领域涵盖高分子化学与物理、材料科学与工程、化学、电子工程学以及物理学等众多交叉学科。近年来发表论文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等国际著名期刊杂志，其中9篇入选ESI Top 1%高被引论文，论文他引9000多次。入选国家级青年人才项目，天津市中青年科技创新领军人才，并获天津市杰出青年基金。
