東北大學劉常升教授團隊青勇權(quán)副教授課題組近日在《Advanced Functional Materials》發(fā)表最新研究。該研究通過集成MXene-殼聚糖導電層與氟化點線交織網(wǎng)狀涂層，成功制備出具備微/納米級裝甲結(jié)構(gòu)超疏水性的全天候兩棲電子紡織品。該材料具備優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，在機械、化學破壞條件下以及水下、模擬海水等極端潤濕條件下仍能維持穩(wěn)定性能。
超疏水可穿戴柔性傳感器在兩棲環(huán)境人類行為監(jiān)測方面具有重要潛力。然而，在復雜的潤濕環(huán)境下，超疏水涂層極易失效，進而導致內(nèi)部導電網(wǎng)絡(luò)破壞，這一問題嚴重制約其實際應用。為此，本研究通過集成MXene-殼聚糖導電層與氟化點線交織網(wǎng)狀涂層，構(gòu)建一種微/納米裝甲結(jié)構(gòu)超疏水性的全天候兩棲電子紡織品（AWAE），為解決上述問題提供了創(chuàng)新性方案（圖1）。
圖1 超疏水全天候兩棲柔性應變傳感器的設(shè)計。（a）附著在人體皮膚上的超疏水可穿戴傳感器。（b）分層纖維結(jié)構(gòu)、層間連接性以及MXene納米片和超疏水涂層的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。（c）在構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)和超疏水表面過程中纖維表面微結(jié)構(gòu)的演變。（d）水解硅烷偶聯(lián)劑、MXene-殼聚糖層和氟化點線網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)合。（e）AWAE在空氣和水下環(huán)境中的應用。
為評估AWAE在極端環(huán)境下的適用性，本研究對其進行了系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試。借助拉伸、撞擊、超聲、膠帶剝離及砂紙磨損等機械破壞實驗，以及酸堿鹽溶液浸泡、極端溫度循環(huán)與紫外照射等化學破壞實驗，系統(tǒng)地檢測了AWAE超疏水性能（圖2）與傳感性能（圖3）的穩(wěn)定性表現(xiàn)。
圖2 AWAE的環(huán)境穩(wěn)定性。AWAE分別在（a）50%應變下1000次拉伸、（b）50 g重量從20 cm高度下降500次沖擊、（c）40 kHz和80 W下超聲作用12 h、（d）150次膠帶剝離、（g）在50 g重量下對1000目砂紙磨損13 m后的接觸角和滾動角；AWAE分別在（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 ℃下冷凍15 d、（l）不同的高溫下處理2 h、（m）紫外光照射10 d后的接觸角和滾動角；分別在（e）150次剝離，（f）13 m摩擦后的SEM圖像。
圖3 AWAE在極端環(huán)境下的傳感穩(wěn)定性。（a）10 g、20 g、50 g、100 g和200 g重量的砝碼負載；（b）手指按壓；（c）20 cm高度落下20克重物撞擊100次；（d）40 kHz，80 W超聲2 h；（e）200次小刀劃割；（f）200次膠帶剝離；（g）在50 g重量載荷下1000目砂紙磨損1m；（h）冷凝處理5 min；（i）污泥浸漬；（j）70 ℃加熱2 h；（k）?20 ℃冷凍2 h；（l）紫外線照射7 d。
通過對AWAE進行靈敏度、應變范圍及耐久性等關(guān)鍵傳感性能測試，表明其具備良好的傳感性能；進一步佩戴于人體不同部位進行監(jiān)測實驗，結(jié)果表明AWAE能夠有效監(jiān)測多種運動信號，展現(xiàn)出良好的人體信號監(jiān)測能力（圖4）。
圖4 AWAE的傳感性能的穩(wěn)定性與人體運動監(jiān)測。（a）AWAE的靈敏度系數(shù)和（b）在0.2%應變下的響應/恢復時間；不同條件下的相對電阻變化率：（c）小應變下的不同拉力、（d）50%應變下0.03125~0.25 Hz的頻率變化、（e）50%應變下的1500個循環(huán)、（f）0.25 Hz頻率下10~75%的應變變化、（g）膝關(guān)節(jié)彎曲，（h）手掌張開/閉合、（i）小腿肌肉放松/張力、（j）頭部轉(zhuǎn)動/點頭、（k）手指彎曲、（l）手腕屈曲、（m）肘部彎曲；（n）拉伸過程中AWAE導電層中微裂紋擴展示意圖。
在陸地極端環(huán)境穩(wěn)定性得到驗證的基礎(chǔ)上，為進一步評估AWAE在極端潤濕環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，本研究對其開展水下及模擬海水環(huán)境的系統(tǒng)性能測試，結(jié)果表明AWAE在上述環(huán)境中仍能保持優(yōu)異的信號傳輸能力及長期耐久性（圖5）。進一步地，在模擬海水環(huán)境中，通過執(zhí)行不同手勢動作及抓握不同直徑的瓶子，分別輸出差異性信號，驗證其具備良好的環(huán)境適應性與信息辨別能力（圖6）。
圖5 AWAE的穩(wěn)定水下傳感性能。從空氣中浸沒在（a）自來水和（b）3.5 wt.%的NaCl溶液的模擬海水中期間的相對電阻變化；（c）在模擬海水中浸泡并重新暴露在空氣中的MXene-殼聚糖紡織品時檢測到的傳感信號；分別在（d）自來水和（e）模擬海水中浸泡的AWAE再次暴露于空氣中時檢測到的傳感信號；在模擬海水中（f）手指和（g）手腕屈曲的不同角度的傳感曲線；（h）模擬海水中AWAE的循環(huán)傳感曲線；在模擬海水中影響（i）MXene-殼聚糖紡織品和（j）AWAE信號傳輸?shù)臋C理。
圖6 AWAE的潛在水下應用。（a）不同手勢的光學圖像和（c）在空氣中和（e）在模擬海水中的相對電阻變化；（b）抓取具有不同直徑物體的光學圖像和（d）在空氣中和（f）在模擬海水中的相對電阻變化；（g）AWAE在水沖擊下的潤濕狀態(tài)；（h）人手（上圖）和機器人手（下圖）之間的運動同步及（i）相對電阻變化；（j）附著在鯊魚尾部的AWAE示意圖和（k）鯊魚模型游泳運動期間的相對電阻變化；（l）AWAE與傳統(tǒng)超疏水傳感器的性能比較。
綜上所述，本研究通過協(xié)同集成MXene-殼聚糖導電層和氟化點線交織網(wǎng)狀涂層，開發(fā)了一種具有微/納米裝甲結(jié)構(gòu)的超疏水全天候兩棲電子紡織品。該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，在機械應力、化學破壞和極端溫度條件下保持超疏水性和高導電性。其微納結(jié)構(gòu)可在固液界面構(gòu)筑空氣屏障，抑制液體滲透，實現(xiàn)在模擬海水中700次穩(wěn)定循環(huán)。此外，AWAE可精準捕獲人體關(guān)節(jié)運動信號、識別水下手勢并促進機器人協(xié)作。本研究為兩棲運動監(jiān)測、水生生物行為追蹤和人機交互系統(tǒng)提供了強大且可擴展的解決方法。未來，通過結(jié)合無線通信和人工智能算法，有望進一步推動面向全水域應用的智能型全天候電子紡織品的發(fā)展。
東北大學材料科學與工程學院碩士研究生張廣瑩為本文第一作者，東北大學材料科學與工程學院副教授、博士生導師青勇權(quán)為本文通訊作者，東北大學為唯一完成單位。該論文獲國家自然科學基金面上項目與廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)面上項目的共同資助。
原文鏈接：
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
