聂双喜教授Nano Letters：利用细胞壁纳米工程构筑高性能纤维素摩擦电材料

随着人工智能技术、材料科学、生物工程、电子学和数据分析技术的快速发展，人们对人体监测的关注度越来越高，这推动了可穿戴设备的发展。目前，可穿戴设备已不断应用于多种领域。理想的可穿戴设备应在提供多种功能与设备小型化和轻便之间取得微妙的平衡，从而最大限度地提高用户舒适度和可穿戴性。摩擦电传感器的开发为解决小型化、轻便和能源需求难题提供了一个有前景的解决方案。

针对上述问题，王双飞院士团队聂双喜教授课题组利用细胞壁纳米工程技术构筑了一种轻质且高强度的纤维素摩擦电材料。该策略通过对细胞壁结构进行设计，使其具有在不同尺度下相互连接的多级孔隙和良好的结构稳定性。同时，碳纳米管（CNTs）在孔隙内负载，形成连续的导电通路。基于纤维素摩擦电材料的传感器在0-2.25 kPa范围内表现出33.61 kPa^-1的优异灵敏度，在材料暴露于200℃的高温环境后仍保持高传感性能，并对人体运动状态提供准确的反馈。这项成果以“Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering”为题发表在国际学术期刊《Nano Letters》上。

为了细胞壁能够产生更多孔隙结构，同时保持其宏观结构完整性，对竹细胞壁选择性地水解，去除木质素和半纤维素，有效软化刚性原纤维并产生新的孔隙结构并降低材料密度。材料置于导电溶液中，竹子由于其吸湿特性，在溶液环境下导电材料会随着水分渗入细胞壁、管腔表面和内部孔隙，在多孔微通道中形成相互连接的电子传输网络。在木质素被部分去除后，线性排列的纤维素链和木质素分子链之间的结合作用减弱，纳米级或亚纳米级尺寸的纤维素纳米纤维之间形成了新的孔隙。本研究通过细胞壁工程构建轻质且高强度的多孔纤维素摩擦电材料。得益于纤维素摩擦电材料优异的传感性能与热稳定性，基于此制备的摩擦电传感器在经过200℃高温处理后，仍然具有良好的传感性能。将传感器佩戴于人体不同身体部位，可以实现人体实时监测功能。

图1. 基于细胞壁纳米工程的纤维素摩擦电材料的设计策略。

图2. 纤维素摩擦电材料的制备与表征。

图3. 用于消防救援的自供电传感器。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00458