聂双喜教授2024最新AFM：自组装驱动超分子缠绕的纤维素摩擦电气凝胶

新一代可穿戴电子产品在生物医学、个人健康监测等领域的快速发展，具有彻底改变人类未来生活方式的潜力。在改善功能电子产品鲁棒性的同时提高其可持续穿戴能力（小尺寸、轻量化和自供电性等），是推动上述变革的有效途径。新一代摩擦电式传感器在解决电子产品能源供给问题的同时，拓宽了材料的选择范围，以此将灵活赋予可穿戴传感设备更多的特殊功能。

为了高鲁棒性可穿戴传感设备的发展，王双飞院士团队聂双喜教授课题组基于“以患为利”的设计思想，制备了一种具有超高强度和多尺度结构的摩擦电气凝胶膜。“不利的”自加速效应帮助聚合物分子链之间形成多重氢键并快速出现凝胶化行为，迅速匹配的双氢键诱导纤维素纳米纤维与聚苯胺超分子在纳米空间内自组装出具有多尺度缠绕的凝胶结构，同时结合树叶仿生的增强机制，此气凝胶膜的拉伸强度提高至104 MPa。基于该气凝胶膜所构筑的可穿戴摩擦电传感器显示出良好的鲁棒性和超快的响应（48 ms）。该项成果以题为“Multiscale structural triboelectric aerogels enabled by self-assembly driven supramolecular winding”发表在最新一期国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

本文在研究中发现在CNF分散液中采用湿化学法直接合成PANI超分子，会使得两超分子链之间形成相互缠绕的结构。PANI超分子本身无法形成自支撑的凝胶结构，因为沿着共轭导电聚合物骨架的离域π电子会引起凝胶基质内非连续导电聚合物网络产生相分离。而纤维素链上高活性的羟基为PANI的生长提供了成核位点，并通过分子间氢键形成物理交联同时获得稳定的3D结构。在研究过程中一个有趣的现象是，当氧化剂用量稍过量时，反应溶液粘度迅速上升并放出热量，同时体系中产生大量的活性阳离子自由基，这是自由基聚合反应中典型的自加速行为（Trommsdorff–Norrish Effect）。但该行为在聚合反应中是“不友好的”，本研究巧妙利用“以患为利”的设计思想，通过温度和氧化剂的摩尔量调控该行为的进程。凝胶现象的出现为基质内提供了丰富的多重氢键，密集的氢键网络将极大的增强气凝胶的机械性能。

由于该摩擦电气凝胶具有出色的可加工性，通过合理的结构设计可以构筑为摩擦电式微型传感器。该传感器的轻量化和小型化可以轻松实现多阵列集成，并通过收集来的生物机械能实现自供电的能力。得益于摩擦电气凝胶优异的柔韧性，使微型传感器可以轻松作为可穿戴电子产品佩戴于人体多个部分。鲁棒性是可穿戴电子产品的发展趋势，后续研究中发现，该传感器在有毒的环境中仍然能够快速监测并实现穿戴人员与信息网络的实时交互。

图1. 利用自加速效应实现自组装驱动超分子缠绕的纤维素摩擦电气凝胶。

图2. 摩擦电气凝胶膜的制备工艺和结构。

图3. 摩擦电传感器在有毒环境中的快速监测与实时交互。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400476