东北大学刘常升教授团队青勇权副教授课题组近日在《Advanced Functional Materials》发表最新研究。该研究通过集成MXene-壳聚糖导电层与氟化点线交织网状涂层，成功制备出具备微/纳米级装甲结构超疏水性的全天候两栖电子纺织品。该材料具备优异的环境稳定性，在机械、化学破坏条件下以及水下、模拟海水等极端润湿条件下仍能维持稳定性能。
超疏水可穿戴柔性传感器在两栖环境人类行为监测方面具有重要潜力。然而，在复杂的润湿环境下，超疏水涂层极易失效，进而导致内部导电网络破坏，这一问题严重制约其实际应用。为此，本研究通过集成MXene-壳聚糖导电层与氟化点线交织网状涂层，构建一种微/纳米装甲结构超疏水性的全天候两栖电子纺织品（AWAE），为解决上述问题提供了创新性方案（图1）。
图1 超疏水全天候两栖柔性应变传感器的设计。（a）附着在人体皮肤上的超疏水可穿戴传感器。（b）分层纤维结构、层间连接性以及MXene纳米片和超疏水涂层的微观结构示意图。（c）在构建导电网络和超疏水表面过程中纤维表面微结构的演变。（d）水解硅烷偶联剂、MXene-壳聚糖层和氟化点线网络之间的结合。（e）AWAE在空气和水下环境中的应用。
为评估AWAE在极端环境下的适用性，本研究对其进行了系统的稳定性测试。借助拉伸、撞击、超声、胶带剥离及砂纸磨损等机械破坏实验，以及酸碱盐溶液浸泡、极端温度循环与紫外照射等化学破坏实验，系统地检测了AWAE超疏水性能（图2）与传感性能（图3）的稳定性表现。
图2 AWAE的环境稳定性。AWAE分别在（a）50%应变下1000次拉伸、（b）50 g重量从20 cm高度下降500次冲击、（c）40 kHz和80 W下超声作用12 h、（d）150次胶带剥离、（g）在50 g重量下对1000目砂纸磨损13 m后的接触角和滚动角；AWAE分别在（h）0.01 M HCl中浸泡400 min、（i）0.01 M NaOH中浸泡240 min、（j）3.5 wt.% NaCl中浸泡12 h、（k）?20 ℃下冷冻15 d、（l）不同的高温下处理2 h、（m）紫外光照射10 d后的接触角和滚动角；分别在（e）150次剥离，（f）13 m摩擦后的SEM图像。
图3 AWAE在极端环境下的传感稳定性。（a）10 g、20 g、50 g、100 g和200 g重量的砝码负载；（b）手指按压；（c）20 cm高度落下20克重物撞击100次；（d）40 kHz，80 W超声2 h；（e）200次小刀划割；（f）200次胶带剥离；（g）在50 g重量载荷下1000目砂纸磨损1m；（h）冷凝处理5 min；（i）污泥浸渍；（j）70 ℃加热2 h；（k）?20 ℃冷冻2 h；（l）紫外线照射7 d。
通过对AWAE进行灵敏度、应变范围及耐久性等关键传感性能测试，表明其具备良好的传感性能；进一步佩戴于人体不同部位进行监测实验，结果表明AWAE能够有效监测多种运动信号，展现出良好的人体信号监测能力（图4）。
图4 AWAE的传感性能的稳定性与人体运动监测。（a）AWAE的灵敏度系数和（b）在0.2%应变下的响应/恢复时间；不同条件下的相对电阻变化率：（c）小应变下的不同拉力、（d）50%应变下0.03125~0.25 Hz的频率变化、（e）50%应变下的1500个循环、（f）0.25 Hz频率下10~75%的应变变化、（g）膝关节弯曲，（h）手掌张开/闭合、（i）小腿肌肉放松/张力、（j）头部转动/点头、（k）手指弯曲、（l）手腕屈曲、（m）肘部弯曲；（n）拉伸过程中AWAE导电层中微裂纹扩展示意图。
在陆地极端环境稳定性得到验证的基础上，为进一步评估AWAE在极端润湿环境下的性能稳定性，本研究对其开展水下及模拟海水环境的系统性能测试，结果表明AWAE在上述环境中仍能保持优异的信号传输能力及长期耐久性（图5）。进一步地，在模拟海水环境中，通过执行不同手势动作及抓握不同直径的瓶子，分别输出差异性信号，验证其具备良好的环境适应性与信息辨别能力（图6）。
图5 AWAE的稳定水下传感性能。从空气中浸没在（a）自来水和（b）3.5 wt.%的NaCl溶液的模拟海水中期间的相对电阻变化；（c）在模拟海水中浸泡并重新暴露在空气中的MXene-壳聚糖纺织品时检测到的传感信号；分别在（d）自来水和（e）模拟海水中浸泡的AWAE再次暴露于空气中时检测到的传感信号；在模拟海水中（f）手指和（g）手腕屈曲的不同角度的传感曲线；（h）模拟海水中AWAE的循环传感曲线；在模拟海水中影响（i）MXene-壳聚糖纺织品和（j）AWAE信号传输的机理。
图6 AWAE的潜在水下应用。（a）不同手势的光学图像和（c）在空气中和（e）在模拟海水中的相对电阻变化；（b）抓取具有不同直径物体的光学图像和（d）在空气中和（f）在模拟海水中的相对电阻变化；（g）AWAE在水冲击下的润湿状态；（h）人手（上图）和机器人手（下图）之间的运动同步及（i）相对电阻变化；（j）附着在鲨鱼尾部的AWAE示意图和（k）鲨鱼模型游泳运动期间的相对电阻变化；（l）AWAE与传统超疏水传感器的性能比较。
综上所述，本研究通过协同集成MXene-壳聚糖导电层和氟化点线交织网状涂层，开发了一种具有微/纳米装甲结构的超疏水全天候两栖电子纺织品。该材料表现出优异的环境稳定性，在机械应力、化学破坏和极端温度条件下保持超疏水性和高导电性。其微纳结构可在固液界面构筑空气屏障，抑制液体渗透，实现在模拟海水中700次稳定循环。此外，AWAE可精准捕获人体关节运动信号、识别水下手势并促进机器人协作。本研究为两栖运动监测、水生生物行为追踪和人机交互系统提供了强大且可扩展的解决方法。未来，通过结合无线通信和人工智能算法，有望进一步推动面向全水域应用的智能型全天候电子纺织品的发展。
东北大学材料科学与工程学院硕士研究生张广莹为本文第一作者，东北大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师青勇权为本文通讯作者，东北大学为唯一完成单位。该论文获国家自然科学基金面上项目与广东省基础与应用基础面上项目的共同资助。
原文链接：
All-Weather Amphibious E-Textile with Micro/Nano-Armored Superhydrophobicity for Underwater Motion Sensing
Guangying Zhang, Haoyang Song, Xinyue Zhang, Kaiqi Long, Yang Cai, Yibo Liang, Xiaoyu Zhang, Changsheng Liu, Yongquan Qing
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202523681
