一、研究背景：柔性应变传感器的挑战与机遇 随着可穿戴电子设备、电子皮肤和人体健康监测系统的快速发展，高灵敏度、高拉伸性、线性响应和长期稳定性成为应变传感器的核心性能指标。传统金属应变片虽精度高，但拉伸范围小（<5%）、易疲劳失效，难以满足新一代柔性器件的需求。
近年来，导电聚合物与纳米纤维素因其轻质、柔性、生物相容性好等优势，成为构建柔性传感器的理想候选。然而，如何将非导电的纳米纤维素与导电聚合物高效复合，构建兼具机械强度与电学性能的三维网络结构，仍是关键科学难题。
二、创新策略：PEDOT/PSS 质子化纳米纤维素构建导电气凝胶加州大学戴维斯分校 You-Lo Hsieh 团队提出了一种质子化-氢键协同自组装策略，成功构建了导电 PEDOT/PSS/CNF 气凝胶，并将其与弹性体 PDMS 复合，制备出高灵敏、线性响应、可拉伸的应变传感器。
▍1. 材料设计思路- CNF（TEMPO氧化纳米纤维素）：表面富含羧酸钠（–COO⁻Na⁺），具良好水分散性；
- PEDOT/PSS：导电高分子复合物，PSS 提供酸性质子（pH ≈ 1.9）和磺酸基团（–SO₃H）；
- 质子化机制：PSS 的 H⁺ 质子化 CNF 表面羧酸盐，转化为羧酸（–COOH），形成氢键网络；
- 结构转变：诱导 PEDOT 从低导电的 苯并结构（benzoid） 向高导电的 醌式结构（quinoid） 转变，显著提升电导率。
▍2. 制备流程- 混合分散：CNF 与 PEDOT/PSS 水溶液等质量混合，形成均匀分散体；
- 冷冻干燥：−20°C 冷冻后冻干，构建三维多孔气凝胶；
- EG 蒸汽退火：150°C 乙二醇蒸汽处理 30 min，进一步提升导电性（提升约1000倍）；
- PDMS 灌注：将气凝胶浸入 PDMS 预聚物中，固化后形成柔性复合材料。
三、性能突破：从“导电但不敏感”到“高灵敏线性响应”
▍传感机制解析- 低CNF含量（<50%）：导电路径在拉伸初期断裂，随后趋于稳定，出现“平台区”，非线性明显；
- 高CNF含量（70%）：CNF 增强网络刚性，拉伸过程中微裂纹不断生成与扩展，导致电阻持续线性上升；
- PDMS作用：作为弹性基体，既提供拉伸性，又限制裂纹扩展，确保可逆性与稳定性。
四、结构表征：从分子到微观的多尺度解析
五、应用前景：绿色、可调、可扩展的传感平台▍优势总结- 绿色环保：CNF 来源广、可再生，PEDOT/PSS 水溶性好，无需有机溶剂；
- 成本低廉：CNF 可替代 70% 的 PEDOT/PSS，显著降低材料成本；
- 性能可调：通过调节 CNF 含量，可精准控制灵敏度与线性范围；
- 工艺简单：全程水相操作，兼容冷冻铸造、3D 打印等微结构加工技术；
- 生物兼容：适用于可穿戴设备、医疗贴片、电子皮肤等领域。
▍未来方向- 多功能集成：引入温度、湿度、压力响应单元，构建多模态传感器；
- 微结构调控：通过定向冷冻、模板法构建各向异性结构，提升方向灵敏度；
- 自修复/可降解：结合动态键或生物降解聚合物，实现环境友好与可持续性；
- AI辅助设计：结合机器学习优化 CNF 含量、孔结构、退火条件，实现性能预测与反向设计。
六、结语：纳米纤维素的“导电新生” 这项研究不仅首次实现了非导电纳米纤维素在高灵敏应变传感中的核心作用，更通过质子化-氢键-结构转变三重协同机制，突破了传统导电聚合物复合材料“导电但不敏感”的瓶颈。它为绿色柔性电子提供了一种低成本、高性能、可扩展的新材料平台，标志着纳米纤维素从“结构材料”向“功能器件”迈出了关键一步。
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发表于 2025-9-9 07:48:26
