導(dǎo)電多孔復(fù)合材料作為輕質(zhì)材料在可穿戴電機(jī)械傳感器中前景廣闊，其中取向多孔結(jié)構(gòu)可引入非對稱性以增強(qiáng)機(jī)電轉(zhuǎn)換性能。然而，二維導(dǎo)電材料MXene在取向多孔材料的薄壁中易發(fā)生聚集，導(dǎo)致導(dǎo)電性和靈敏度受限。傳統(tǒng)表面化學(xué)修飾策略在薄壁環(huán)境中效果不佳，亟需通過維度混合設(shè)計解決納米填料的分散問題。

西南大學(xué)黃進(jìn)教授、甘霖教授團(tuán)隊提出“一維剛性納米纖維素尺寸匹配嵌入二維導(dǎo)電MXene”的混合結(jié)構(gòu)，通過冷凍干燥法制備取向多孔材料。該設(shè)計利用尺寸匹配的剛性納米纖維素（tCNC）有效分離MXene層，顯著降低滲流閾值（從8.24 wt.%降至4.01 wt.%），并將壓阻靈敏度提升5.61倍（應(yīng)變范圍0.56%~10%）。同時，納米纖維素作為介電顆粒形成原位平行板電容器，實(shí)現(xiàn)接觸模式下低至0.17%應(yīng)變的電容式壓力傳感，最終構(gòu)建出覆蓋大載荷至微觸控的雙響應(yīng)傳感器。

技術(shù)原理與性能驗(yàn)證

圖1通過理論模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了納米纖維素對MXene的分離機(jī)制：尺寸匹配的剛性tCNC（長度1.86 μm）可抵抗MXene層彎曲應(yīng)力，有效擴(kuò)大層間距（增加1.636 nm）；而柔性納米纖維素（CNF）或短尺寸纖維素（cCNC）因易彎曲或取向問題分離效果較弱。透射電鏡和原子力顯微鏡證實(shí)tCNC嵌入MXene層間形成“楔形”支撐結(jié)構(gòu)。

圖1 a-c) tCNC、CNF、cCNC對MXene分離效果的示意圖； d) 水性聚氨酯（WPU）基取向多孔材料中一維納米纖維素與二維MXene的混合結(jié)構(gòu)； e) MXene片的原子力顯微鏡圖像及尺寸分布； f) tCNC（左）、CNF（中）、cCNC（右）的原子力顯微鏡圖像； g-h) 三種納米纖維素的長度與直徑分布（n=20）； i) MXene及其混合體系的典型XRD圖譜； j) 不同環(huán)境下MXene的層間距。

圖2顯示混合填料的協(xié)同效應(yīng)：tCNC/MXene體系（tCM-W）在取向多孔水性聚氨酯（WPU）中導(dǎo)電滲流指數(shù)最優(yōu)，壓縮模量和能量耗散性能提升顯著。孔隙取向結(jié)構(gòu)使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更均勻，回彈率高達(dá)92%。

圖2 a) M-W、cCM-W、FM-W、tCM-W多孔材料取向度擬合曲線； b) 滲流閾值與層間距的關(guān)系； c) 滲流指數(shù)與層間距的關(guān)系； d) 多孔材料的壓縮性能（最大壓縮載荷、壓縮模量及耗散能）； e) tCM-W取向/非取向多孔材料的應(yīng)變-最大壓縮載荷線性擬合； f) 韌性 vs 回彈率。

圖3揭示界面增強(qiáng)機(jī)制：分子動力學(xué)模擬表明，納米纖維素與MXene間氫鍵數(shù)量增加42倍，縮短Ti-O鍵長（1.99 ?→1.97 ?）。XPS和FTIR證實(shí)氫鍵增強(qiáng)，紫外吸收藍(lán)移表明電子云重排，為機(jī)電敏感性提升提供理論基礎(chǔ)。

圖3 a) 納米纖維素、MXene及其混合體系的分子動力學(xué)模擬計算模型； b-c) MXene、tCNC及其混合顆粒的總能量與氫鍵數(shù)量； d) Ti-O鍵長的分子動力學(xué)模擬結(jié)果； e-g) tCM與MXene的XPS全譜、Ti 2p區(qū)及O 1s結(jié)合能譜； h-i) MXene及混合體系的ATR-FTIR光譜與紫外歸一化吸收光譜； j) 最大吸收邊對比。

圖4展示雙模式傳感性能：壓阻傳感在2%~10%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度（GF=8.6）和檢測限（LOD=0.24%）領(lǐng)先；壓容傳感在0.5%~2%微應(yīng)變下響應(yīng)時間僅72 ms（快于壓阻的430 ms），且濕度/紫外環(huán)境下信號穩(wěn)定性超80%。

圖4 a) 多孔材料壓阻變化率-應(yīng)變線性擬合曲線； b) 壓阻靈敏度因子（GF）與檢測限倒數(shù)（1/LOD）統(tǒng)計； c) 層間距與GF、1/LOD的關(guān)系； d) 壓阻傳感頻率依賴性； e) 1080次循環(huán)穩(wěn)定性測試； f) 濕度耐受性測試； g) 單次壓阻響應(yīng)時間； h) tCM-W儲能模量與損耗角動態(tài)熱機(jī)械分析； i) 多孔材料電容值； j-l) tCM-W、FM-W、cCM-W的壓容變化率-應(yīng)變曲線； m) 壓容靈敏度因子（GF）與1/LOD統(tǒng)計； n) 單次壓容響應(yīng)時間。

圖5演示運(yùn)動監(jiān)測應(yīng)用：傳感器通過壓阻/電容雙信號輸出，精準(zhǔn)識別觸摸（0.24%應(yīng)變）、吞咽、微笑等微動作以及肘/膝彎曲（40%應(yīng)變）等大變形運(yùn)動，信號模式與動作類型一一對應(yīng)。

圖5 a-h) tCM-W多孔材料在人體運(yùn)動監(jiān)測中的壓阻/壓容信號：觸摸、點(diǎn)擊、吞咽、皺眉、微笑、手指彎曲、肘部彎曲、膝部彎曲； i) 雙模信號匹配識別運(yùn)動類型示意圖。

應(yīng)用前景

該研究通過維度混合策略同步優(yōu)化導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與電容結(jié)構(gòu)，解決了可穿戴傳感器在寬應(yīng)變范圍與高頻響應(yīng)中的矛盾。雙模信號輸出特性為運(yùn)動健康監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域提供新方案，其輕質(zhì)、高穩(wěn)定性設(shè)計有望推動二維材料在柔性電子中的規(guī)模化應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿