揭秘柔性電子的"骨架"：二維過渡金屬碳化物和氮化物MXene

從折疊手機到電子皮膚，柔性可穿戴設備正在改變我們的生活。但你知道嗎？這些設備的"骨骼"，竟然可能來自一種特殊的陶瓷材料——MXene纖維。

從科幻到現(xiàn)實：柔性電子的無限可能

想象一下這樣的場景：你的手機可以像紙一樣折疊塞進口袋；你的衣服能實時監(jiān)測心率、體溫，并在寒冷的冬天自動加熱；或者一塊"電子皮膚"貼在義肢上，讓使用者重新獲得觸覺。

這些曾經(jīng)只存在于科幻電影中的場景，正在隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展一步步成為現(xiàn)實。而在這場技術(shù)革命中，一種特殊的"骨架"——高性能導電纖維，正扮演著至關重要的角色。

中國科學技術(shù)大學蘇州高等研究院程群峰教授課題組指出："高性能導電纖維作為可穿戴電子紡織品的重要組成單元，廣泛應用于健康管理、人機交互、運動監(jiān)測、能量存儲與收集、熱管理及電磁干擾屏蔽等航空航天及日常生活中的多個領域。"

MXene：理想的"建筑材料"

那么，什么樣的材料才能勝任這個角色？科學家們將目光投向了一種特殊的二維材料——MXene。

MXene是二維過渡金屬碳化物和氮化物的總稱。這種材料有什么特別之處？研究顯示，MXene納米片"表現(xiàn)出優(yōu)異的力學、電學、電化學及光熱轉(zhuǎn)換性能，以及良好的溶液加工性，使其在制造高性能導電MXene纖維方面展現(xiàn)出極大的前景"。

換句話說，MXene集多重優(yōu)勢于一身：它像金屬一樣導電，像陶瓷一樣堅固，同時又足夠柔軟可以被加工成各種形狀。這使它成為構(gòu)建高性能導電纖維的"理想基元"。

難題：從納米到宏觀的"組裝困境"

然而，從理想的納米材料到實用的宏觀纖維，中間橫亙著一道難題。

程群峰教授團隊在綜述文章中解釋道："由于MXene納米片組裝成宏觀纖維的過程中，界面相互作用弱、結(jié)構(gòu)無序及納米片褶皺等問題常常導致纖維內(nèi)部產(chǎn)生孔隙缺陷，從而阻礙應力傳遞效率和電子傳輸，限制了宏觀MXene纖維的整體性能。"

簡單來說，就像用磚塊砌墻時，如果磚塊排列不整齊、砂漿粘結(jié)不牢固，墻就會有很多縫隙，既不結(jié)實也不美觀。同樣，當MXene納米片組裝成纖維時，如果排列雜亂、片層之間結(jié)合不緊密，就會形成大量空隙，嚴重影響纖維的強度和導電性。

突破：如何"消除缺陷"？

針對這一難題，程群峰教授和周天柱特任研究員課題組在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發(fā)表了題為"Defect-Elimination Strategies for Fabricating High-Strength and Highly Conductive MXene Fibers"的綜述文章，系統(tǒng)梳理了近十年來在制備高強度、高導電性MXene纖維過程中的缺陷消除策略。

文章指出，構(gòu)建高性能導電MXene纖維的關鍵因素包括三個方面："加強界面相互作用、改善MXene納米片排列和消除空隙"。

這就像解決砌墻問題：需要加強磚塊之間的粘結(jié)（界面相互作用），讓磚塊排列得更整齊（改善納米片排列），同時填補所有縫隙（消除空隙）。

創(chuàng)紀錄的MXene纖維

那么，這些策略在實踐中效果如何？程群峰教授團隊與北航萬思杰研究員團隊合作，在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表的研究成果給出了令人振奮的答案。

他們發(fā)明了一種徑向限域結(jié)合軸向拉伸的新方法，在室溫下連續(xù)化制備出高性能碳化鈦纖維。具體來說，他們首先在同軸濕法紡絲過程中，通過鈣離子橋聯(lián)海藻酸鈉形成封裝層，從徑向限制纖維收縮，減少橫向皺紋導致的空隙；隨后通過卷對卷輔助拉伸，使納米片沿軸向定向排列。

圖1 | 受限拉伸MXene（CSM）纖維的制備過程、結(jié)構(gòu)模型和性能。 a，CSM纖維的制備過程及結(jié)構(gòu)模型示意圖。MXene和海藻酸鈉（SA）溶膠通過同軸濕法紡絲擠入濃度為5 wt%的氯化鈣（CaCl?）溶液中，隨后經(jīng)過連續(xù)拉伸、去離子水（DIW）洗滌和干燥，得到CSM纖維。 b, c，一卷CSM纖維（b）和一塊橫向尺寸為8 × 9 cm2的CSM織物（c）的照片。比例尺，2 cm。 d，CSM纖維（紅色星星）的拉伸強度、韌性和導電率超過了先前報道的濕紡純MXene纖維（綠色三角）和MXene復合纖維（紫色方塊）。散點圖中樣品編號對應的材料名稱、詳細數(shù)據(jù)和參考文獻列于補充表6。 e，CSM織物（紅色）的SE/t超過了先前報道的使用聚合物（黑色）、金屬（綠色）、碳（粉色）和MXene（藍色）復合纖維編織的織物。樣品編號對應的材料名稱、詳細數(shù)據(jù)和參考文獻列于補充表7。

為了揭示CSM纖維高性能的結(jié)構(gòu)根源，研究人員對其微觀結(jié)構(gòu)進行了深入表征。如圖2所示，與存在大量空隙、納米片皺褶明顯的普通MXene纖維（圖2a）相比，CSM纖維顯示出高度致密和高度取向的層狀結(jié)構(gòu)（圖2b）。定量分析表明，CSM纖維的孔隙率（7.47%）顯著低于MXene纖維（15.3%），其納米片取向因子（0.903）也遠高于后者（0.717），同時層間距更?。▓D2c-e）。這些結(jié)果證實了徑向限制與軸向拉伸的協(xié)同作用有效抑制了毛細管收縮，消除了橫向皺紋和空隙，實現(xiàn)了納米片的緊密組裝和高度排列。

圖2 | MXene和CSM纖維的結(jié)構(gòu)表征。 a, b，通過聚焦離子束切割的橫截面和軸向截面的SEM及明場TEM圖像（獨立重復三次，結(jié)構(gòu)相似），以及MXene（a）和CSM（b）纖維的理論模擬對應模型快照。一列和第四列為SEM圖像，第二和第五列為TEM圖像。模型快照中不同的MXene納米片采用不同顏色進行后期渲染。從左至右比例尺依次為：10 μm, 50 nm, 20 μm, 和 10 nm。 c，MXene纖維（藍色）和CSM纖維內(nèi)部MXene層（紅色）的體積孔隙率百分比。 d，濕態(tài)（紅色）和干態(tài)（藍色）MXene及CSM纖維的赫爾曼取向因子。 e，MXene（藍色）和CSM（紅色）纖維的層間距。 數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示（適用于三個獨立實驗）。

這種微觀結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為宏觀性能。力學測試表明（圖3a,b），CSM纖維不僅具有高的拉伸強度和楊氏模量，其韌性和斷裂應變也大幅提升。得益于致密取向的結(jié)構(gòu)縮短了電子傳輸路徑并促進了層間電子傳輸，CSM纖維的導電率也達到高。此外，CSM纖維還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性（圖3c）、抗循環(huán)拉伸/彎曲疲勞性（圖3d）以及抗超聲損傷能力。在焦耳加熱測試中（圖3e），CSM纖維能快速升溫并保持穩(wěn)定的循環(huán)加熱性能。與易在彎折時開裂甚至斷裂的普通MXene纖維不同，即使打結(jié)的CSM纖維也能保持結(jié)構(gòu)完整并正常點亮LED燈（圖3f），展現(xiàn)了其在柔性導線中的應用潛力。

圖3 | MXene和CSM纖維的性能。 a，MXene和CSM纖維的典型拉伸應力-應變曲線。 b，雷達圖比較MXene（藍色）和CSM（紅色）纖維的拉伸強度、楊氏模量、韌性、應變和導電率。 c，MXene和CSM纖維在100%相對濕度的潮濕空氣中儲存時，電導保持率隨時間的變化。 d，在50 MPa應力幅值和1 Hz加載頻率下，MXene和CSM纖維的失效循環(huán)次數(shù)與較大應力水平的關系。 e，CSM纖維在4 V電壓下循環(huán)開關焦耳加熱過程中的溫度隨時間變化。 f，彎曲的MXene纖維和打結(jié)的CSM纖維的SEM圖像（獨立重復三次，結(jié)構(gòu)相似）。比例尺，左圖20 μm，右圖50 μm。

將CSM纖維編織成紡織品后，其功能特性得到進一步體現(xiàn)。如圖4所示，CSM織物表現(xiàn)出的EMI屏蔽效能，且其主要屏蔽機制為吸收（圖4a-c）。該屏蔽性能在多次循環(huán)彎曲（圖4d）和洗滌后仍能高度保持。同時，CSM織物在不同變形狀態(tài)下均能保持穩(wěn)定高效的焦耳加熱性能（圖4e），并顯示出良好的生物相容性。

圖4 | CSM織物的電磁干擾屏蔽和焦耳加熱性能。 a，108微米厚和216微米厚的CSM織物的電磁干擾屏蔽效能隨頻率的變化。插圖顯示了108微米厚CSM織物的SEM圖像（獨立重復三次，結(jié)構(gòu)相似）。比例尺，1 mm。 b，108微米厚和216微米厚CSM織物在8.2 GHz頻率下的吸收屏蔽效能（SEA，藍色）、反射屏蔽效能（SER，粉色）和總屏蔽效能（SEtotal，紅色）。CSM織物的屏蔽主要貢獻來自吸收。 c，示意圖說明CSM織物的電磁干擾屏蔽機制，包括反射和吸收。 d，CSM織物在0°至180°循環(huán)彎曲過程中，電磁干擾屏蔽效能保持率隨循環(huán)次數(shù)的變化。 e，平坦、彎曲和扭曲的CSM織物的焦耳加熱性能保持率。插圖顯示了這些織物在8 V電壓下加熱的光學和紅外圖像。比例尺，2 cm。

綜上所述，該研究通過一種連續(xù)的協(xié)同策略，成功解決了MXene納米片在組裝成宏觀纖維時因橫向皺紋產(chǎn)生空隙和排列不佳的難題，制備出了具有高強度、高導電性及優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的MXene纖維。由此纖維編織的大面積織物集成了非凡的電磁干擾屏蔽、焦耳加熱、使用穩(wěn)定性和生物相容性。這項研究不僅為MXene在可穿戴智能紡織品領域用于電磁屏蔽和電熱管理的實際應用鋪平了道路，也為其他二維納米片規(guī)模化組裝成高性能纖維提供了新途徑。

研究數(shù)據(jù)顯示，與存在大量空隙（孔隙率15.3%）、納米片皺褶明顯的普通MXene纖維相比，他們制備的受限拉伸MXene（CSM）纖維顯示出高度致密和高度取向的層狀結(jié)構(gòu)，孔隙率顯著降低至7.47%，納米片取向因子從0.717提升至0.903。

這種微觀結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為宏觀性能。CSM纖維實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的拉伸強度（958 MPa）和導電率（13,692 S cm?1），分別是普通MXene纖維的9.96倍和1.47倍。

更直觀地展示其柔性：即使打結(jié)的CSM纖維也能保持結(jié)構(gòu)完整并正常點亮LED燈——這在普通MXene纖維上是無法實現(xiàn)的。

 應用：從纖維到智能紡織品

將這些高性能纖維編織成織物后，其功能特性得到進一步體現(xiàn)。由CSM纖維編織的織物表現(xiàn)出電磁干擾屏蔽能力，其厚度歸一化屏蔽效能高達6,509 dB cm?1，優(yōu)于此前報道的多種聚合物、金屬、碳及MXene復合纖維織物。

同時，這種織物還具有穩(wěn)定的焦耳加熱性能——簡單來說，通電就能發(fā)熱，而且在不同變形狀態(tài)下（彎曲、扭曲）都能保持穩(wěn)定。

在另一項發(fā)表于《自然·通訊》的研究中，程群峰教授與新加坡南洋理工大學魏磊教授合作，制備出拉伸強度達941.5 MPa、電導率達12,836.4 S cm?1的MXene復合纖維。他們將這種纖維通過數(shù)字化刺繡技術(shù)集成到織物中，開發(fā)出一套長距離、無電池的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)。用戶只需用智能手機靠近衣物，即可在超過50厘米的距離上實現(xiàn)體溫、脈搏等生理數(shù)據(jù)的無線采集與傳輸。

從實驗室到日常生活

從折疊手機到電子皮膚，從智能紡織品到健康監(jiān)測系統(tǒng)，MXene纖維正在為柔性電子設備構(gòu)建堅實的"骨架"。而中國科大團隊在缺陷消除策略方面的系統(tǒng)研究，正為這一領域的發(fā)展提供理論基礎和實踐指導。

正如程群峰教授團隊在綜述中所展望的，通過界面設計和結(jié)構(gòu)調(diào)控來制造高性能MXene纖維的潛在策略，將"為推動MXene纖維的研究及其實際應用提供系統(tǒng)性的參考與有益指引"。

從實驗室的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，到日常生活中可穿戴的智能紡織品，這條從"陶瓷"到"衣服"的道路，正在科學家們的努力下越走越寬。