當(dāng)前，纖維素基傳感器的發(fā)展受限于機(jī)械強(qiáng)度不足和靈敏度范圍有限等問題。這類傳感器雖然具備生物可降解性和性能可調(diào)的優(yōu)勢，但其天然脆性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易損，靈敏度通常局限于較窄的線性范圍內(nèi)，難以在高壓或惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。盡管通過微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料工程已取得一定進(jìn)展，但如何使纖維素傳感器同時(shí)具備超寬傳感范圍與可靠機(jī)械性能，仍是領(lǐng)域內(nèi)面臨的重要挑戰(zhàn)。

近期，安徽大學(xué)王佩紅教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于Janus纖維素氣凝膠的摩擦電傳感器，該傳感器采用獨(dú)特的雙纖維素交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。仿生設(shè)計(jì)顯著增強(qiáng)了分子間相互作用，優(yōu)化了分子鏈排列，從而大幅提升了機(jī)械穩(wěn)定性和操作耐久性。與原始纖維素氣凝膠相比，該氣凝膠的楊氏模量提高了437.5%，可承受超過自身重量5萬倍的負(fù)載。所制成的傳感器展現(xiàn)出高性能特質(zhì)：能在300 kPa高壓下穩(wěn)定工作4小時(shí)，循環(huán)壽命長，傳感范圍可達(dá)0–800 kPa，據(jù)所知是目前纖維素基摩擦電傳感器中最寬的。生物相容性測試進(jìn)一步證實(shí)其適用于可穿戴設(shè)備。團(tuán)隊(duì)還將傳感器集成至可穿戴設(shè)備中，成功實(shí)現(xiàn)了人體姿態(tài)識(shí)別，為纖維素基摩擦電傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了新策略。相關(guān)論文以“Coral-Inspired Double Cellulose Crosslinked Aerogel Triboelectric Sensors with Wide Pressure Monitoring Range for Multi-Scenario Applications”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)從珊瑚結(jié)構(gòu)中汲取靈感，珊瑚通過將納米級(jí)有機(jī)基質(zhì)與微米級(jí)鈣質(zhì)框架結(jié)合，獲得了卓越的韌性、機(jī)械適應(yīng)性和承載能力?；诖?，他們利用微晶纖維素作為剛性骨架，纖維素納米纖維作為納米級(jí)韌性子段，通過氫鍵和化學(xué)交聯(lián)構(gòu)建了均勻的雙纖維素交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)氣凝膠。添加的環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)劑和聚乙烯吡咯烷酮分散劑優(yōu)化了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，提高了整體交聯(lián)密度。經(jīng)過溶劑置換、二次交聯(lián)以及冷凍干燥，最終制得了具有優(yōu)異機(jī)械性能和超低密度的Janus纖維素氣凝膠。該氣凝膠密度僅為0.048 g/cm3，四塊總重5克的樣品即可承載100公斤的重量，展現(xiàn)出卓越的輕質(zhì)高強(qiáng)特性。

圖1 | 仿生氣凝膠的概念與設(shè)計(jì)。 a) 珊瑚結(jié)構(gòu)及其骨架特性示意圖；b) 剛?cè)犭p纖維素交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)示意圖；c) 均勻纖維素凝膠骨架；d) 溶劑交換過程中分子鏈取向與分子變化；e) 溶膠-凝膠法制備的JCA照片；f) JCA可承載100公斤成人重量；g) JCA與其他已報(bào)道纖維素氣凝膠的力學(xué)性能與密度對(duì)比。

通過傅里葉變換紅外光譜、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜、X射線光電子能譜等多種表征手段，系統(tǒng)研究了氣凝膠的Janus結(jié)構(gòu)與形貌。結(jié)果表明，氣凝膠內(nèi)部成功構(gòu)建了從大孔徑到小孔徑的梯度孔結(jié)構(gòu)，平均孔徑從約82 μm過渡至約42 μm，有效分散應(yīng)力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。掃描電鏡圖像清晰展示了其蜂窩狀三維多孔結(jié)構(gòu)，而開爾文探針力顯微鏡測量證實(shí)，引入碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)后，氣凝膠兩側(cè)接觸電勢差增大，預(yù)示著更高的摩擦電輸出。

圖2 | JCA的結(jié)構(gòu)與形貌表征。 a) JCA的FTIR光譜；b) JCA-L在負(fù)離子模式下的TOF-SIMS譜圖；c) JCA的XPS譜圖；d) JCA的熱重分析曲線；e) JCA-L與JCA-U的孔徑分布；f) JCA-U與JCA-L的SEM分析；g) 在1 V偏壓下JCA-L與JCA-U的表面電勢。

在力學(xué)性能方面，雙纖維素交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與外部高速流動(dòng)誘導(dǎo)的軸向拉伸協(xié)同作用，使氣凝膠在壓縮測試中表現(xiàn)突出。在50%應(yīng)變下，其壓縮強(qiáng)度可達(dá)0.8 MPa，楊氏模量和壓縮強(qiáng)度相較于原始微晶纖維素氣凝膠分別提升437.5%和410%。有限元模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了其在遞增壓力下的漸進(jìn)變形行為，顯示了其在可穿戴傳感器、自供能設(shè)備及抗沖擊系統(tǒng)中的潛力。

圖3 | JCA的力學(xué)性能。 a) 多分子鏈交聯(lián)纖維素復(fù)合氣凝膠的性能增強(qiáng)機(jī)制；b) 不同組成纖維素溶液的粘度；c) JCA可支撐超過自身重量20,000倍的人體；d) 材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)JCA施加壓力（0%–50%）的照片；e) 不同組成纖維素氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f) JCA的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；g) PCA與JCA的楊氏模量。

基于Janus結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)將非導(dǎo)電的上層作為電荷感應(yīng)層，導(dǎo)電的下層作為電荷傳輸與屏蔽層，構(gòu)建了摩擦電傳感器。該傳感器在單電極模式下工作，利用接觸起電和靜電感應(yīng)原理，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。得益于氣凝膠的高比表面積和三維多孔結(jié)構(gòu)，傳感器在0–800 kPa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬域線性響應(yīng)，其有效監(jiān)測范圍是同等條件下纖維素膜傳感器的33.3倍。優(yōu)化后的傳感器響應(yīng)時(shí)間為46毫秒，恢復(fù)時(shí)間為53毫秒，且在4萬次循環(huán)后仍保持97.8%的信號(hào)穩(wěn)定性，并在高濕度環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐濕性。

圖4 | JCAS的傳感性能與穩(wěn)定性。 a) JCAS在不同壓力條件下的傳感原理；b) JCAS與CMS有效測量范圍對(duì)比；c) 不同交聯(lián)劑與組成的纖維素氣凝膠傳感器的響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間；d) 基于JCA-U的傳感器在不同工作頻率下的響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間；e) JCAS在200 kPa高壓下的響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間；f) JCAS在0至800 kPa超寬壓力范圍內(nèi)的靈敏度；g) JCAS與近年報(bào)道的摩擦電傳感器的測量范圍對(duì)比；h) JCAS在不同工作頻率下的電壓輸出；i) JCAS在300 kPa工作壓力下的工作穩(wěn)定性。

生物相容性與可降解性評(píng)估顯示，該氣凝膠提取物對(duì)L929小鼠成纖維細(xì)胞活性無負(fù)面影響，細(xì)胞存活率超過99%，符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)。在纖維素酶作用下，氣凝膠可在1小時(shí)內(nèi)快速降解，碳納米管可通過簡單過濾回收并重復(fù)使用，制備的傳感器性能保持良好，顯示出其在可降解瞬態(tài)傳感器中的應(yīng)用潛力。

圖5 | JCAS的生物相容性與生物降解性。 a) L929細(xì)胞經(jīng)PBS、空白對(duì)照、JCA-U、JCA-L處理后的熒光染色圖像；b) 空白組、JCA-U、JCA-L在72小時(shí)的光密度；c) 72小時(shí)后空白組、JCA-U、JCA-L的細(xì)胞存活率；d) JCA在纖維素酶作用下降解過程的照片；e) JCAS與回收J(rèn)CAS的開路電壓。

在實(shí)際應(yīng)用展示中，研究團(tuán)隊(duì)將多個(gè)傳感器單元集成為3×3陣列，成功實(shí)現(xiàn)了局部壓力的空間識(shí)別。此外，他們還開發(fā)了一款基于該傳感器的可穿戴手套式設(shè)備，能夠通過敲擊與擠壓兩種模式識(shí)別摩斯電碼與數(shù)字手勢，在智能輔助、人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 | JCAS在可穿戴傳感器中的應(yīng)用。 a) JCA可作為多功能氣凝膠傳感器廣泛應(yīng)用；b) JCAS指環(huán)傳感器的信號(hào)傳輸、處理與交互示意圖；c) 敲擊模式下的JCAS指環(huán)傳感器；d) JCAS指環(huán)傳感器使用莫爾斯電碼輸出“SOS”；e) “SOS”信號(hào)的傳輸、處理與交互示意圖；f) 擠壓模式下戰(zhàn)術(shù)手勢0–9的信號(hào)曲線；g) 各通道的信噪比。

這項(xiàng)研究通過仿珊瑚雙纖維素交聯(lián)策略，成功研制出兼具高強(qiáng)度、寬傳感范圍、生物相容性與可降解性的Janus纖維素氣凝膠摩擦電傳感器。其卓越的機(jī)械性能確保了在長期高壓工作與循環(huán)使用中的結(jié)構(gòu)完整性，而寬達(dá)0–800 kPa的傳感范圍則為目前纖維素基摩擦電傳感器之最。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，該傳感器在姿態(tài)識(shí)別、手勢交互等多個(gè)場景中均具有可靠性能。這一仿生設(shè)計(jì)理念不僅為纖維素氣凝膠材料的開發(fā)提供了新思路，也推動(dòng)了高性能纖維素基摩擦電傳感器向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。