【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)程群峰教授團(tuán)隊(duì)與周天柱特任研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)魏磊教授團(tuán)隊(duì)，在國際權(quán)威期刊《自然·通訊》上發(fā)表了關(guān)于超強(qiáng)MXene復(fù)合纖維的研究成果。
研究團(tuán)隊(duì)不僅成功解決了MXene材料在纖維化過程中的根本性技術(shù)難題，更實(shí)現(xiàn)了該復(fù)合纖維的連續(xù)化、公里級(jí)制備，為新一代智能電子織物的產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。
01 材料革新
二維MXene材料，特別是Ti?C?T?納米片，被視為材料科學(xué)領(lǐng)域的新星。它同時(shí)具備卓越的力學(xué)性能和極高的電導(dǎo)率，理論上能為制造高性能復(fù)合纖維提供近乎完美的基元材料。
這種材料的獨(dú)特之處在于其層狀結(jié)構(gòu)和豐富的表面化學(xué)官能團(tuán)，使其在能量存儲(chǔ)、電磁屏蔽、傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。MXene的本質(zhì)性能優(yōu)勢使其成為開發(fā)下一代智能紡織品的理想候選材料。
在理想狀態(tài)下，由MXene納米片組裝而成的宏觀纖維應(yīng)繼承其納米級(jí)別的優(yōu)異特性，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與導(dǎo)電性的完美結(jié)合。然而，從納米片到宏觀纖維的跨越之路卻布滿荊棘。
02 核心挑戰(zhàn)
將MXene納米片組裝成高性能宏觀纖維面臨著一個(gè)根本性矛盾：MXene納米片在濕法紡絲過程中，由于弱界面相互作用和不可避免的毛細(xì)收縮效應(yīng)，會(huì)自發(fā)形成大量的橫向褶皺。
這些褶皺如同建筑材料間的縫隙，會(huì)在纖維內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙和結(jié)構(gòu)缺陷。傳統(tǒng)的界面增強(qiáng)和濕法剪切力調(diào)控手段只能治標(biāo)，無法從根源上消除這些褶皺結(jié)構(gòu)。
最終結(jié)果是，宏觀纖維的力學(xué)強(qiáng)度和電導(dǎo)率遠(yuǎn)未達(dá)到MXene納米片的本征水平，材料的巨大潛力被結(jié)構(gòu)缺陷所掩埋。如何實(shí)現(xiàn)MXene納米片的致密、有序組裝，成為全球研究者亟待攻克的技術(shù)壁壘。
03 技術(shù)突破
面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“靜態(tài)-動(dòng)態(tài)兩步致密化”策略，從根本原理上重構(gòu)了MXene復(fù)合纖維的制備工藝。
在靜態(tài)致密化階段，團(tuán)隊(duì)引入短尺寸的一維羧基化多壁碳納米管作為“微榫”，精準(zhǔn)填充MXene納米片間因褶皺產(chǎn)生的空隙。碳納米管通過與MXene形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，在納米尺度上加固了片層間的連接。
隨后進(jìn)入動(dòng)態(tài)致密化階段，團(tuán)隊(duì)采用精密的熱拉伸技術(shù)，對纖維施加動(dòng)態(tài)應(yīng)力。這一過程如同高明的鍛造工藝，進(jìn)一步壓縮內(nèi)部孔隙，促使MXene納米片沿纖維軸向高度定向排列。
研究團(tuán)隊(duì)還為纖維設(shè)計(jì)了聚乳酸保護(hù)層，最終成功實(shí)現(xiàn)了這種超強(qiáng)復(fù)合纖維的連續(xù)化制備，制備長度達(dá)到公里級(jí)，標(biāo)志著該技術(shù)已具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基本條件。
04 性能卓越
經(jīng)測試，這種采用新策略制備的MXene復(fù)合纖維展現(xiàn)出令人矚目的性能數(shù)據(jù)：拉伸強(qiáng)度達(dá)到約1GPa，韌性高達(dá)147.9 MJ/m³。
其內(nèi)部電導(dǎo)率更是創(chuàng)下紀(jì)錄，高達(dá)12836.4 S/cm，這一數(shù)值在同類材料中處于領(lǐng)先地位。這意味著纖維既強(qiáng)韌又導(dǎo)電，完美結(jié)合了兩種通常難以兼得的優(yōu)異特性。
與以往研究中MXene纖維性能大幅衰減的情況不同，此次制備的復(fù)合纖維幾乎完全發(fā)揮了MXene納米片的本征性能，實(shí)現(xiàn)了從納米優(yōu)勢到宏觀性能的近乎無損傳遞。
05 應(yīng)用廣泛
基于這種超強(qiáng)MXene復(fù)合纖維編織而成的智能電子織物，開啟了一系列前所未有的應(yīng)用場景。
在醫(yī)療健康領(lǐng)域，織物能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、無電池的無線健康監(jiān)測，實(shí)時(shí)追蹤穿著者的心電、肌電等生理信號(hào)，且無需外接電源，極大提升了穿戴舒適度和便利性。
更令人驚嘆的是，這種智能織物還能實(shí)現(xiàn)人體耦合發(fā)光和交互遠(yuǎn)程無人機(jī)操控。穿著者可以通過簡單的手勢或身體運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)距離控制無人機(jī)飛行，或通過織物本身進(jìn)行輔助通信。
在實(shí)際測試中，這些智能織物展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性和環(huán)境穩(wěn)定性，即使在反復(fù)彎曲、拉伸和洗滌后，仍能保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，解決了可穿戴電子設(shè)備長期面臨的耐用性問題。
這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室中的性能數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)的國際合作模式，展現(xiàn)了全球科研力量協(xié)同攻關(guān)的前景。
從單根纖維到整匹智能織物，從厘米級(jí)樣品到公里級(jí)連續(xù)制備，中國科大團(tuán)隊(duì)的成功標(biāo)志著我國在智能材料領(lǐng)域已從跟跑轉(zhuǎn)向并跑甚至在部分方向?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)跑。
當(dāng)智能織物不再需要外接笨重電源，當(dāng)人機(jī)交互變得如同穿衣般自然，這一卷公里級(jí)的超強(qiáng)纖維，正織就著一個(gè)更加智能、互聯(lián)的未來。
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