【引言】

    超輕型碳納米氣凝膠因具有低的表觀密度、優良的導電性、大的表面積、高孔隙率、化學惰性等優點而受到關注，并廣泛用于電子、生物醫藥、環境和能源等領域。碳氣凝膠具有3D交聯網絡，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，并且經常會使用到有毒試劑，且需要復雜的裝置和較高的技術要求，但生產率低下。而大塊生物質的無規多孔結構和碳化結構的高收縮率導致了氣凝膠的各項性能均差于化石衍生碳氣凝膠，因此限制了生物質衍生碳氣凝膠的發展。

    【成果簡介】

    最近，東華大學紡織學院丁彬教授課題組通過實驗證明蜂巢具有較高的結構強度和與氣凝膠相似的表觀密度。因此，該研究團隊使用新型生物質——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構的超彈性碳納米纖維氣凝膠（CNFAs）。由于有序多孔纖維結構和充分鍵合的碳納米纖維的協同效應，CNFAs具有極低的密度、非常好的循環壓縮性、零泊松比、優良的熱穩定性、彈性響應導電性和高壓力敏感性。該氣凝膠可在較寬的范圍內檢測動態壓力，且靈敏度較高，可以實現對人體血液脈沖等壓力信號的實時原位監控。

    【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的光學照片；

    c-e） KNFAs在不同放大倍數下的顯微結構照片；

    f）20cm3大小的CNFAs立于魔芋葉尖，表明由生物質向先進功能氣凝膠的轉變是可持續的；

    g-i） CNFAs在不同放大倍數下的顯微結構照片，驗證了仿生蜂巢的多孔纖維結構；

    j）三個不同長度尺度的四層結構示意圖。

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

    圖2 CNFAs力學性能表征及與其他生物質衍生碳氣凝膠的比較

    a）沿加載方向CNFAs的壓縮應力-應變曲線及壓縮循環的側面圖；不同于其他結構脆弱的生物質衍生碳氣凝膠，CNFAs展現了優異的機械性能，可以承受很大的變形而不產生裂縫；

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

    c）CNFAs的泊松比隨壓縮應變變化曲線，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，都與應變關系不大，這體現了CNFAs體結構與微觀結構的一致性；

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

    e）楊氏模量、能量損失系數及最大應力對應疲勞實驗周期曲線；表明經過1000尺循環壓縮實驗后，楊氏模量、能量損失系數和最大應力并未降低很多，仍能達到最初的75%；

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

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

    h）不同生物質衍生碳氣凝膠的相對楊氏模量對應低相對密度的曲線。

    圖3 應力、應變、溫度對CNFAs導電性的影響

    a）CNFAs及其他生物質衍生碳氣凝膠的電導率-低相對密度曲線；由圖可知CNFAs的電導率高于其他碳氣凝膠，且電導率與密度成冪次關系，驗證了CNFAs的高效率細胞結構；

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

    c）100次應變增加至50%的彈性響應循環試驗；每次循環，電阻的變化都幾乎一致，表明CNFAs的結構穩定；

    d）應變為50%時CNFAs的電阻響應-溫度曲線，同樣表明CNFAs可以適應極端的溫度條件。

    圖4 CNFAs的壓力敏感性測試

    a） CNFAs對不同壓力的及時響應，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測人體脈搏信號。

    【小結】

    該研究團隊通過結合可持續KGM生物質與柔性二氧化硅納米纖維，成功設計了不使用溶劑、協同組裝制備超彈性、蜂巢結構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品，如健康監護器、人機接口設備、納米機器人和人工皮膚等。