【48812】聂双喜教授《Nano Letters》：使用细胞壁纳米工程构筑高功用纤维素冲突电资料

  跟着人工智能技能、资料科学、生物工程、电子学和数据分析技能的加快速度进行开展，人们对人体监测的重视度渐渐的升高，这推动了可穿戴设备的开展。现在，可穿戴设备已不断使用于多种范畴。抱负的可穿戴设备在供给多种功用与设备小型化和简便之间获得奇妙的平衡，然后最大极限地进步用户舒适度和可穿戴性。走运的是，冲突电传感器的开发为处理小型化、简便和能源需求难题供给了一个有远景的处理方案。

  近来，王双飞院士团队聂双喜教授课题组使用细胞壁纳米工程构筑了一种轻质且高强度的纤维素冲突电资料。该战略经过对细胞壁结构进行规划，使其具有在不同标准下相互连接的多级孔隙和杰出的结构稳定性。一起，碳纳米管（CNTs）在孔内负载，构成接连的导电通路。根据纤维素冲突电资料的传感器在0-2.25 kPa范围内表现出33.61 kPa-1的优异灵敏度，在资料露出于200℃的高温环境后仍坚持高传感功用，并供给对人体运动状况准确的反应。该项效果以题为“Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering”宣布在世界学术期刊《NanoLetters》（IF=10.8）上。

  经过对竹细胞壁挑选性地水解，去除木质素和半纤维素，有用软化刚性原纤维并发生新的孔隙结构并下降资料密度。将资料置于导电溶液中，竹子因为其吸湿特性，导电资料会跟着水分进入细胞壁、管腔外表和内部孔隙，在多孔微通道中构成相互连接的电子传输网络。在木质素被部分移除后，线性惩罚的纤维素链和木质素分子链之间的结合效果削弱，纳米级或亚纳米级标准的纤维素纳米纤维之间构成了新的孔隙。本研讨经过细胞壁工程构筑了一种轻质、高强度的多孔纤维素冲突电资料。得益于纤维素冲突电资料优异的传感功用与耐热性，根据此制备的冲突电传感器在经过200℃高温处理后，依然具有十分杰出的传感功用。将传感器佩带于人体不同身体部位，能轻松完成人体实时监测功用。

  图1. 根据细胞壁纳米工程的纤维素冲突电资料规划战略。（a）细胞壁纳米工程示意图，（i）薄壁微纤维取向结构模型，（ii）细胞壁原始结构，（iii）脱木质素处理，（iv）细胞壁填充（导电资料浸渍）。（b）多标准的竹结构。

  图2. 纤维素冲突电资料的制备与表征。（a）过氧乙酸解聚木质素进程示意图。（b）纤维素冲突电资料的组成道路。（c）X射线光电子能谱图。（d）X射线衍射图谱。（e）机械功用。（f）热稳定性。

  图3. 细胞壁纳米工程对纤维素支架孔隙率的影响。（a）不同孔隙率的纤维素支架示意图，附图为SEM图画。（b）Micro-CT图画。（c）孔径散布直方图。（d）紧缩应力-应变曲线。（e）天然竹子、纤维素支架和纤维素冲突电资料的电压信号。（f）紧缩进程的有限元模仿（i）和原理图（ii）。

  图4. 冲突电传感器的作业原理与压力传感功用。冲突电传感器（a）常温（i）和高温（ii）下的压力传感示意图。（b）在2.45 kPa-98 kPa的不同压力下的多重呼应（25℃）。（c）在49 kPa的频率呼应功用。（d）在不同应力下的灵敏度。（e）不同压力下的电导率和呼应恢复时间。（f）高温后在不同压力下发生的电信号。（g）在高温极点环境的呼应和恢复时间。（h）常温文高温下2000个负载循环期间的电压信号改变。

  图5. 用于消防救援的自供电传感器。（a）安装在消防服上的自供电传感器的示意图。（b）不同压力的电压信号。（c）有无负载的电压信号。（d）传感器在不同手臂曲折状况下的感测信号曲线。（e）传感器根据两个自供电传感器的紧迫手势区别。（f）膝关节不同曲折状况和（g）不同走路状况的信号检测。（h）不同步态的信号检测。

  这项作业经过细胞壁纳米工程技能制备了一种轻质且高强度的纤维素冲突电资料，并根据此开发了一种用于人体运动监测的自供电传感器。纤维素冲突电资料展现出优异的稳定性，在阅历200℃的高温环境后仍展现出杰出的传感功用，答应准确的实时运动盯梢。该研讨为多孔纤维素冲突电资料的规划供给了新的思路，并有望促进可穿戴电子设备在极点环境下的使用。

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