生物質(zhì)納米流體材料由于其生物相容性和離子選擇性傳輸行為，在健康監(jiān)測(cè)和能量收集方面具有廣泛的應(yīng)用。特別是纖維作為一種連續(xù)且具有柔性的材料形式，在智能可穿戴傳感織物中具有天然優(yōu)勢(shì)。近年來，納米流體纖維在機(jī)械性能、取向排列、能量收集效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面取得了重大進(jìn)展。然而，纖維自身的通道結(jié)構(gòu)仍需通過濕加捻、壓縮等后處理進(jìn)行致密化。因此，如何通過一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有致密空間結(jié)構(gòu)的納米流體纖維仍需進(jìn)一步探索。

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)與南開大學(xué)劉遵峰教授和中國藥科大學(xué)周湘教授合作，開發(fā)了一種創(chuàng)新且可擴(kuò)展的流程。這一工藝結(jié)合微流控紡絲技術(shù)和不對(duì)稱流場(chǎng)，控制帶負(fù)電荷的海藻纖維素納米纖維（CNFs）的組裝，創(chuàng)造出新型扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的海藻纖維。扭轉(zhuǎn)纖維具有高堆積密度（1.47 g/cm3）、優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度（468.5 MPa）和高取向（fc = 0.89）。它們表現(xiàn)出卓越的選擇性離子傳輸能力和滲透能量收集性能。研究表明，通過控制微流控紡絲系統(tǒng)中的不對(duì)稱流體動(dòng)力學(xué)，可以精確操縱CNFs的空間分布，從而設(shè)計(jì)出不同捻度結(jié)構(gòu)的纖維。與傳統(tǒng)濕紡纖維相比，這些扭轉(zhuǎn)纖維具有更小的直徑、更高的填充密度、更強(qiáng)的機(jī)械性能和取向，以及更優(yōu)的離子傳輸和滲透能量收集能力。這種革命性的扭轉(zhuǎn)纖維將引領(lǐng)可穿戴設(shè)備、功能性紡織品和智能醫(yī)療領(lǐng)域的新趨勢(shì)。它們可集成到自供電的嬰兒尿液監(jiān)測(cè)裝置中，準(zhǔn)確檢測(cè)排尿和運(yùn)動(dòng)，并在尿液飽和時(shí)發(fā)出警報(bào)，大大提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

該研究以“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

自加捻納米流體纖維的制備及表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)纖維性能的貢獻(xiàn)

在這項(xiàng)研究工作中，通過空間高度不對(duì)稱芯片在微流控紡絲過程中所形成的渦流，對(duì)芯層通道表層的海藻纖維素納米纖維進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加捻，從而紡制出了具有表層扭轉(zhuǎn)內(nèi)層軸向取向的海藻纖維素納米流體纖維。值得注意的是，表面具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的纖維展現(xiàn)出全面優(yōu)于對(duì)稱芯片獲得的內(nèi)外軸向取向的海藻纖維素納米流體纖維，且扭轉(zhuǎn)纖維高的離子電導(dǎo)率展現(xiàn)了其在傳感監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用前景。

圖1. 自加捻纖維素納米流體纖維的制備流程、結(jié)構(gòu)及性能比較

納米流體纖維的制備機(jī)理、結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能

此外，作者通過SEM對(duì)兩種芯片紡制得到纖維的表面及截面形貌進(jìn)行了表征，明確了扭轉(zhuǎn)纖維和取向纖維的排列結(jié)構(gòu)，這與后續(xù)的紡絲過程中纖維形成的有限元模擬結(jié)果一致。扭轉(zhuǎn)纖維由于自加捻，其纖維素堆積密度更高，CNF排列更加緊密，從而展現(xiàn)出更高的取向度、斷裂應(yīng)力。分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)纖維表面的扭轉(zhuǎn)角在受到外力時(shí)，起到連接作用，可以耗散外力，從而表現(xiàn)為更高的斷裂應(yīng)變。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變鞘層溶液的流速可以對(duì)扭轉(zhuǎn)纖維表面的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)控，纖維的機(jī)械性能也隨著扭轉(zhuǎn)角度的增大而增大。

圖2. 扭轉(zhuǎn)纖維和取向纖維的結(jié)構(gòu)、性能、形成及形變機(jī)制探究

表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)纖維素納米流體纖維的影響及機(jī)理

納米流體纖維包含高度定向和帶電的納米通道，可以將來自鹽度梯度的吉布斯自由能轉(zhuǎn)化為電能，從而在鹽度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自供電傳感。與取向纖維相比，扭轉(zhuǎn)纖維的VOC和ISC普遍增強(qiáng)，表明離子導(dǎo)體中具有相同電荷的有序離子通道進(jìn)一步提高了輸出性能。不對(duì)稱流動(dòng)介導(dǎo)的扭轉(zhuǎn)纖維顯示出更緊密的堆疊納米結(jié)構(gòu)，與相同條件下的取向纖維相比，增強(qiáng)了能量收集（圖3f）。為了進(jìn)一步證明扭轉(zhuǎn)纖維的自供電效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)由多個(gè)基于扭轉(zhuǎn)纖維的單元串聯(lián)組成的滲透收獲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。結(jié)果表明，串聯(lián)單元可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算器和LED燈(圖3h)。

圖3. 扭轉(zhuǎn)纖維的離子運(yùn)輸性能及自供能行為探究

基于扭轉(zhuǎn)纖維的尿液傳感系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)和應(yīng)用展示

最后作者利用扭轉(zhuǎn)纖維在低濃度下仍具有的高的離子電導(dǎo)率以及自供電性能，搭建了一個(gè)小型電化學(xué)工作站，將其集成到紙尿褲上監(jiān)測(cè)嬰兒的排尿。經(jīng)過測(cè)試觀察，這種以扭轉(zhuǎn)纖維為核心的傳感裝置可以辨別嬰兒的排尿及運(yùn)動(dòng)行為引起的電流變化，且在紙尿褲飽和時(shí)，提示進(jìn)行尿布更換。

圖4. 以扭轉(zhuǎn)纖維為核心的尿液傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在自供能傳感方面的應(yīng)用

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365

來源：高分子科學(xué)前沿