【成果掠影 & 研究背景】

隨著柔性可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)兼具高效熱管理、能量收集與傳感功能的集成化材料需求日益迫切。傳統(tǒng)方法往往需要將多個(gè)獨(dú)立功能的組件組裝在一起，導(dǎo)致系統(tǒng)笨重、復(fù)雜且缺乏柔性。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，波蘭克拉科夫大的研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上發(fā)表研究成果，提出了一種基于可擴(kuò)展靜電紡絲技術(shù)制備的多功能聚丙烯腈（PAN）-MXene復(fù)合納米纖維與紗線。該工作利用Ti?C?T? MXene納米片的多功能特性，成功將多項(xiàng)性能集成于單一纖維材料中。研究顯示，MXene的加入顯著提升了材料的熱傳導(dǎo)能力，使復(fù)合紗線的表面溫度比純PAN紗線高出約22°C；同時(shí)，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，在紅外照射下可快速升溫至60.3°C。在能量收集方面，MXene增強(qiáng)了材料的摩擦負(fù)電特性，將紗線的摩擦電輸出功率提升了約25%，最高功率密度達(dá)到432.7 mW m?2。此外，基于該復(fù)合紗線構(gòu)建的觸覺傳感陣列能檢測(cè)低至0.1 N的力。這項(xiàng)工作為開發(fā)輕質(zhì)、柔性且能量自主的下一代電子紡織品提供了高效的平臺(tái)。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

1. 材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新：選用Ti?C?T? MXene作為核心多功能填料，其本身兼具高導(dǎo)熱性、優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力及可調(diào)控的表面電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了通過單一填料同時(shí)賦予聚合物基質(zhì)多種性能，簡(jiǎn)化了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備。

2. 工藝與可擴(kuò)展性創(chuàng)新：采用一步靜電紡絲法直接制備復(fù)合納米纖維及紗線，工藝簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展，克服了傳統(tǒng)層疊、真空過濾等復(fù)雜方法難以大規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸，為電子紡織品的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3. 多尺度結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)：系統(tǒng)研究了從納米纖維（掃描熱顯微鏡表征）到宏觀紗線（紅外熱成像表征）的熱傳導(dǎo)性能，明確了MXene在構(gòu)建跨尺度的連續(xù)導(dǎo)熱通路中的關(guān)鍵作用，并從結(jié)構(gòu)上闡釋了紗線緊密交織結(jié)構(gòu)對(duì)提升面內(nèi)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。

4. 摩擦電機(jī)理與性能提升：通過開爾文探針力顯微鏡證實(shí)MXene的加入顯著降低了PAN纖維的表面電勢(shì)（從-288.7 mV降至-359.4 mV），增強(qiáng)了其摩擦負(fù)電性，并從界面電子轉(zhuǎn)移和氫鍵作用角度解釋了機(jī)理，從而直接帶來了摩擦電輸出功率25%的提升。

5. 集成化應(yīng)用演示：不僅測(cè)試了單項(xiàng)性能，還將復(fù)合紗線成功集成到功能性器件中，如構(gòu)建了3x3像素的觸覺傳感陣列，實(shí)現(xiàn)了觸摸位置的實(shí)時(shí)空間映射與識(shí)別，并演示了其在人機(jī)交互界面中的應(yīng)用潛力，展示了從材料到系統(tǒng)的完整鏈條。

Figure 1: 本研究核心概念示意圖。

Figure 2: 靜電紡絲纖維的形貌與化學(xué)組成表征。

Figure 3: 納米纖維的力學(xué)性能與熱分析。

Figure 4: 納米纖維的熱傳導(dǎo)性能。

Figure 5: 納米纖維的表面電勢(shì)與能量收集性能。

Figure 6: 紗線在觸覺傳感中的應(yīng)用。

【總結(jié) & 原文鏈接】

綜上所述，本研究通過一種簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展的靜電紡絲策略，成功制備了多功能PAN-MXene復(fù)合納米纖維與紗線。該材料體系巧妙利用了MXene的固有特性，在同一結(jié)構(gòu)中融合了增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)、高效的光熱轉(zhuǎn)換、提升的摩擦電能量收集以及可靠的力傳感能力。這項(xiàng)工作不僅為解決可穿戴電子設(shè)備中熱管理、供能與傳感集成化的挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新性材料解決方案，也展示了靜電紡絲技術(shù)在制備高性能、多功能電子織物方面的巨大潛力，為下一代柔性電子和智能紡織品的發(fā)展開辟了新的道路。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202522098

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