【引言】

    超輕型碳納米氣凝膠因具有低的表觀密度、優(yōu)良的導(dǎo)電性、大的表面積、高孔隙率、化學(xué)惰性等優(yōu)點而受到關(guān)注，并廣泛用于電子、生物醫(yī)藥、環(huán)境和能源等領(lǐng)域。碳?xì)饽z具有3D交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由多種單元組裝而成，如富勒烯、石墨烯、碳納米管和間苯二酚-甲醛粒子等。但是這些碳單元主要來源于不可再生的化石資源，并且經(jīng)常會使用到有毒試劑，且需要復(fù)雜的裝置和較高的技術(shù)要求，但生產(chǎn)率低下。而大塊生物質(zhì)的無規(guī)多孔結(jié)構(gòu)和碳化結(jié)構(gòu)的高收縮率導(dǎo)致了氣凝膠的各項性能均差于化石衍生碳?xì)饽z，因此限制了生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z的發(fā)展。

    【成果簡介】

    最近，東華大學(xué)紡織學(xué)院丁彬教授課題組通過實驗證明蜂巢具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和與氣凝膠相似的表觀密度。因此，該研究團(tuán)隊使用新型生物質(zhì)——魔芋葡甘露聚糖（KGM）和柔性二氧化硅納米纖維制備了類似于蜂巢有序結(jié)構(gòu)的超彈性碳納米纖維氣凝膠（CNFAs）。由于有序多孔纖維結(jié)構(gòu)和充分鍵合的碳納米纖維的協(xié)同效應(yīng)，CNFAs具有極低的密度、非常好的循環(huán)壓縮性、零泊松比、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、彈性響應(yīng)導(dǎo)電性和高壓力敏感性。該氣凝膠可在較寬的范圍內(nèi)檢測動態(tài)壓力，且靈敏度較高，可以實現(xiàn)對人體血液脈沖等壓力信號的實時原位監(jiān)控。

    【圖文簡介】

    圖1 CNFAs的合成示意圖及合成原料的表征

    a）合成原理圖：1.均勻的納米纖維分散液；2.液氮冷卻分散液；3.冷凍干燥制備KNFAs；4. KNFAs脫乙酰和碳化得到CNFAs；

    b）KNFAs的光學(xué)照片；

    c-e） KNFAs在不同放大倍數(shù)下的顯微結(jié)構(gòu)照片；

    f）20cm3大小的CNFAs立于魔芋葉尖，表明由生物質(zhì)向先進(jìn)功能氣凝膠的轉(zhuǎn)變是可持續(xù)的；

    g-i） CNFAs在不同放大倍數(shù)下的顯微結(jié)構(gòu)照片，驗證了仿生蜂巢的多孔纖維結(jié)構(gòu)；

    j）三個不同長度尺度的四層結(jié)構(gòu)示意圖。

    b-j展示了細(xì)胞結(jié)構(gòu)在三個不同的長度尺度上可以簡化為四級層次結(jié)構(gòu)：整個樣品（>1mm），單位細(xì)胞（10-30μm），細(xì)胞壁（1-2μm）和納米纖維（50-300nm）。

    圖2 CNFAs力學(xué)性能表征及與其他生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z的比較

    a）沿加載方向CNFAs的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及壓縮循環(huán)的側(cè)面圖；不同于其他結(jié)構(gòu)脆弱的生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z，CNFAs展現(xiàn)了優(yōu)異的機(jī)械性能，可以承受很大的變形而不產(chǎn)生裂縫；

    b）納米纖維細(xì)胞壁在壓力下的轉(zhuǎn)變示意圖；由圖可以看出，納米纖維細(xì)胞壁在壓力下的轉(zhuǎn)化是各向同性的，而這中轉(zhuǎn)變對于解釋泊松比接近為0至關(guān)重要；

    c）CNFAs的泊松比隨壓縮應(yīng)變變化曲線，表明即使是在微米級尺度，泊松比仍然接近于0，無論是壓縮還是放松，都與應(yīng)變關(guān)系不大，這體現(xiàn)了CNFAs體結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)的一致性；

    d）1000次應(yīng)變增加到50%的循環(huán)壓縮實驗；表明了CNFAs在此應(yīng)力下僅有相對較小的塑性變形，表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗疲勞性；

    e）楊氏模量、能量損失系數(shù)及最大應(yīng)力對應(yīng)疲勞實驗周期曲線；表明經(jīng)過1000尺循環(huán)壓縮實驗后，楊氏模量、能量損失系數(shù)和最大應(yīng)力并未降低很多，仍能達(dá)到最初的75%；

    f）CNFAs的儲能模量、損失模量及阻尼系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線；表明CNFAs的儲能模量和損失模量都很穩(wěn)定，且可以非常快的速度恢復(fù)到其原來的形狀；

    g）CNFAs的儲能模量、損失模量及阻尼系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線；表明CNFAs的彈性幾乎不受溫度的影響（-50℃-300℃），可以適應(yīng)極端的溫度條件；

    h）不同生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z的相對楊氏模量對應(yīng)低相對密度的曲線。

    圖3 應(yīng)力、應(yīng)變、溫度對CNFAs導(dǎo)電性的影響

    a）CNFAs及其他生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z的電導(dǎo)率-低相對密度曲線；由圖可知CNFAs的電導(dǎo)率高于其他碳?xì)饽z，且電導(dǎo)率與密度成冪次關(guān)系，驗證了CNFAs的高效率細(xì)胞結(jié)構(gòu)；

    b） CNFAs的歸一化電阻-應(yīng)變曲線；隨著應(yīng)變的增加，歸一化電阻大幅度減小，且在釋放應(yīng)力后可完全恢復(fù)至原來的值；

    c）100次應(yīng)變增加至50%的彈性響應(yīng)循環(huán)試驗；每次循環(huán)，電阻的變化都幾乎一致，表明CNFAs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

    d）應(yīng)變?yōu)?0%時CNFAs的電阻響應(yīng)-溫度曲線，同樣表明CNFAs可以適應(yīng)極端的溫度條件。

    圖4 CNFAs的壓力敏感性測試

    a） CNFAs對不同壓力的及時響應(yīng)，其中虛線表示兩條不同靈敏度的曲線；壓力P為0-3kPa時，壓力靈敏度S為0.43kPa-1；P>3kPa時，S快速增加為1.02 kPa-1；

    b）CNFAs壓力傳感器對一顆豌豆的加載與卸載的響應(yīng)和放松曲線；該豌豆的重力壓力約為10Pa，表明CNFAs做成的壓力傳感器芯片對微小應(yīng)力具有高靈敏度；

    c）正常情況下對試驗者頸部脈博的測量，結(jié)果為每分鐘跳72下；表明CNFAs傳感器可用于測量人的頸部脈搏；

    d）頸部脈沖特征波信號放大曲線，其中P1、P2、P3尤為明顯，表明CNFAs壓力傳感器可探測到人體脈搏的微小變化，可用于高精度實時監(jiān)測人體脈搏信號。

    【小結(jié)】

    該研究團(tuán)隊通過結(jié)合可持續(xù)KGM生物質(zhì)與柔性二氧化硅納米纖維，成功設(shè)計了不使用溶劑、協(xié)同組裝制備超彈性、蜂巢結(jié)構(gòu)碳納米纖維氣凝膠的方法。該氣凝膠有望廣泛用于未來可穿戴電子產(chǎn)品，如健康監(jiān)護(hù)器、人機(jī)接口設(shè)備、納米機(jī)器人和人工皮膚等。