近期，我校张素风教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“High-performance cellulose nanofibers/carbon nanotubes composite for constructing multifunctional sensors and wearable electronics”的研究成果。本工作提出一种羧基化纤维素纳米纤维（CNF）介导的水性碳纳米管（CNT）的分散方法，基于二者之间的纳米尺寸匹配性、氢键及π-π堆叠相互作用，得到稳定分散的生物基CNF/CNT（CCNT）导电浆液，可在多种基材上采用不同方式构建具有多功能先进传感器，在监测人体健康方面表现出优异的性能。同时，基于CCNT复合体系面内取向自组装特性及CNF的成膜性，制备出具有高导电性和高力学性能的复合导电膜。
随着柔性可穿戴器件、智能健康监测和人机交互系统等的快速发展，纳米纤维素（CNF）与碳纳米管（CNT）复合形成的导电材料，成为柔性电子设备开发的重要基础性材料。然而，CNT结构中较强的范德华力导致其极易发生团聚或缠绕，阻碍了其在柔性电子传感领域的发展。纳米纤维素因具有一维纳米尺寸和表面活性基团的可调控性，被认为是理想的CNT分散剂，本研究中，我们使用CNFs作为绿色分散剂将CNT均匀稳定地分散在水中，并研究了分散效果和机理。
图1 CCNT分散体的制备与表征。(a) C-CNFs提取示意图；(b) CCNT分散体形成示意图；(c) 显示CCNT分散体在水中快速扩散的照片；(d) CCNT分散体的TEM图像；(e) 基于C-CNFs和CNT分子之间的π-π共轭效应和静电排斥协调的分散机制
图2 CCNT薄膜的表征。(a)薄膜的横截面形态；(b)CCNT的蒸发和真空过滤驱动自组装示意图；(c)具有平面内取向的CCNT自组装薄膜示意图；(d)不同CCNT复合薄膜的力学性能分析；(e)不同组别在不同培养日的细胞存活率；(f)CNT、CNF和CCNT薄膜的水接触角；(g)不同CCNT薄膜的导电率和电阻率；(h-j）薄膜在经历500次弯曲、10次扭转和100次胶带剥离后的电阻变化
图3 CCNT油墨的应用
图4 基于CCNT的可穿戴应变/压力传感器在人体运动检测、人体物理信号收集和电子皮肤检测方面的应用
本工作首先展示了CCNT分散体的制备和性能（图1），以氧化-均质法获得的高羧酸含量的C-CNFs为绿色分散剂，高效分散CNT形成稳定的CCNT分散体。通过理化性能表征分析了C-CNFs与CNTs之间的相互作用机制，并通过分子动力学模拟验证了二者相互作用机制的合理性。基于C-CNF的优异成膜性，CCNT分散体经真空抽滤及蒸发诱导作用下构筑为具有面内取向的层层自组装柔性导电膜（图2）。高分散稳定的CCNT分散体浓缩获得导电油墨，通过各种技术再纺织品、纸张和塑料基底上构筑成膜电极/图案化柔性导电材料（图3），实现了纳米纤维素薄膜基电极制备的可设计性、低成本和低能耗，并且研究了用于监测人类健康和活动的各种传感器（图4），充分展示了CNF/CNT基柔性电极在智能可穿戴设备领域巨大的应用潜力。基于组分材料的易制备性、良好的生物相容性和多用途性，先进CCNT复合材料的开发将会促进CNT在先进可穿戴设备中的应用，这项研究也为柔性电子领域活性材料的开发和设计提供了理论基础和实验依据。
论文信息
Yali Liu, Sufeng Zhang*, Lei Li, Nan Li. High-performance cellulose nanofibers/carbon nanotubes composite for constructing multifunctional sensors and wearable electronics. Adv. Fiber Mater., 2024. https://doi.org/10.1007/s42765-024-00388-7
（核稿：刘国栋 编辑：刘倩）
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