研究背景
自然界中许多生物利用垂直取向的刚毛来获取环境信息，在传感材料中复制这些精密的取向结构对于提高传感性能至关重要。气凝胶传感材料具有丰富的孔隙结构，为摩擦电荷的产生提供了有利条件。为了进一步丰富气凝胶材料内部的摩擦电荷，研究者在气凝胶内部负载碳纳米管、Mxene、氧化石墨烯等能功能性导电材料。然而，高含量无序分布的功能性导电材料易于在材料内部形成导电路径，导致摩擦电荷与其感应电荷无效结合。在气凝胶内部设计合理的电荷传导路径是提高摩擦材料电荷存储容量，改善传感性能的有效途径。受限于气凝胶的易碎性和低机械强度，在高孔隙率的气凝胶摩擦电材料内部构筑取向结构仍然十分困难。
文章概述
近日，聂双喜教授课题组受壁虎脚趾垂直刚毛结构的启发，提出了一种磁-热协同策略用于制备具有垂直取向结构的芳纶纤维气凝胶。在磁扭矩与磁引力的作用下，磁性碳纳米管自发排列形成垂直取向。垂直取向结构能够诱导表面电荷迁移至气凝胶内部，使气凝胶的传感信号强度提高64%。利用高温下的芳纶的热交联效应强化了气凝胶纤维网络的结合强度，使气凝胶在80%的压缩应变下抗压强度达到682 kPa。垂直取向结构的气凝胶被组装成的自供电压力传感器，在可穿戴的智能防护设备方面显示出巨大的前景。本研究提出了一种非侵入式的空间微结构调控策略，为各向异性结构材料的构筑提供了新的见解。该项成果以题为“Bioinspired Robust Aramid Triboelectric Aerogels with Vertically Oriented Architecture Enabled by Magnetization Effects”发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。博士后迟明超为本文第一作者，聂双喜教授为通讯作者，林梓熙、刘涛、王金龙、蔡晨晨、于康、罗斌等参与研究。
原文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202523570
图文导读
1. 垂直取向结构气凝胶的功能设计
自然界中的许多生物利用垂直取向的刚毛来获取环境信息。例如，壁虎的脚趾在皮肤表面下含有大量垂直排列的刚毛。这些刚毛通过神经纤维连接到脊髓和大脑，能够快速感知环境信息。受壁虎脚趾垂直排列的鬃毛结构的启发，该研究通过结合磁场诱导和原位热交联的策略，设计了一种具有垂直取向结构的坚固摩擦电气凝胶。在磁场诱导的作用下，磁性碳纳米管由随机分布转变为垂直排列。该气凝胶被组装成拱形摩擦电运动传感器，并嵌入肘部保护器和机械手指中，用于监测运动过程中的压力。垂直结构摩擦电气凝胶为可穿戴传感器提供了新的见解，拓展了气凝胶材料的应用视野。
图1. 受壁虎脚趾结构启发的垂直取向气凝胶设计概念
2. 垂直取向结构设计原理
气凝胶的制造过程主要涉及三个阶段：磁场诱导、质子化还原和热交联（图2）。为了进行磁场诱导过程，分别制备了芳纶纳米纤维和磁性碳纳米管簇。通过强碱诱导去质子化破坏芳纶纤维之间的氢键，成功制备芳纶纳米纤维。随后，采用原位化学还原将羧化碳纳米管表面的Ni²⁺还原为镍颗粒，最终形成棒状磁性碳纳米管簇（CNT@Ni）。理论上，在没有外部磁场的情况下，超顺磁CNT@Ni由于其内部磁畴相互抵消，对外不显磁性。因此，CNT@Ni将随机分布在ANF-PVA分散体内。当垂直非均匀磁场施加到CNT@Ni上时，CNT@Ni内会产生感应磁场，产生磁矩（M）。在磁力矩的影响下，CNT@Ni旋转，直到其轴与磁场对齐。随后，垂直取向的CNT@Ni克服溶液摩擦和磁吸引力下，向磁极迁移。
图2. 芳纶纤维气凝胶的表征
3. 芳纶纤维气凝胶的机械性能
当气凝胶的压缩应变从20%增加到80%，相应的应力从31 kPa增加到682 kPa。与非热交联摩擦电气凝胶相比，高温处理的气凝胶在大压缩应变下表现出显着增强的抗压强度和回弹性。这些增强的抗压强度和弹性归因于热交联处理对纤维网络的增强作用以及芳纶和聚乙烯醇之间的氢键相互作用。此外，使用X射线光电子能谱分析了热处理前后气凝胶的结构变化。实验结果表明热处理后形成了更多的芳香结构。退火后，气凝胶的C-N峰显著降低，表明热处理可以有效增强共轭碳结构，从而加强气凝胶的网络结构。
图3. 芳纶纤维气凝胶的机械性能
4. 芳纶纤维气凝胶的摩擦性能
为了优化摩擦电性能，系统地研究了不同CNT@Ni浓度的影响。在最优浓度下，气凝胶 TENG 表现出 172 V 的开路电压、12 μA 的短路电流和 72 nC 的转移电荷（图 4）。与纯芳纶纳米纤维气凝胶相比，垂直取向结构使开路电压提高了64%。进一步的分析表明，垂直排列的CNT@Ni有助于电荷从接触表面迁移到气凝胶内部。气凝胶的多孔表面结构有利于在接触分离过程中产生大量电荷。当摩擦电荷达到阈值时，表面电荷通过垂直取向的CNT@Ni通路向内迁移。然而，在4mg/ml的CNT@Ni浓度下，空间位阻可能会诱导无效导电途径的形成，导致静电荷被感应电荷中和。
图4. 取值取向结构芳纶气凝胶的摩擦电性能
5. 可穿戴自供电运动传感器的组装与应用
摩擦电传感器采用高度集成的结构设计，有助于无缝集成到现有的防护设备和服装中。它在健康监测和智慧运动方面具有重要的应用潜力。垂直取向的结构气凝胶被组装成摩擦电运动传感器并嵌入防护装备中，有效检测肘部和膝盖等关节的弯曲和伸展运动（图5）。如图所示，拱形传感器结构将关节弯曲和摆动运动转换为施加在设备上的压力。在压力下，顶部FEP层和气凝胶之间的周期性接触分离产生相应的摩擦电信号。使用直线电机进一步研究了工作频率对输出信号的影响，在0.5-2 Hz的频率范围内表现出稳定的传感性能。对单次压制循环的分析显示，响应时间极短，恢复时间分别为 51 ms 和 48 ms。根据线性拟合结果，传感器的电信号随着压力的增加而显着增强，在低压状态下灵敏度为 1.94 kPa⁻¹，在高压范围内的灵敏度为 0.56 kPa⁻¹。
总结
在这项工作中，我们通过静电吸附和原位化学还原构建了高磁性CNT@Ni。在磁吸力和磁力矩的协同作用下，CNT@Ni在气凝胶基体内保持垂直取向的分布状态。这种垂直取向结构将气凝胶的开路电压提高了64%。芳纶纤维的热交联有利于共轭结构的形成，进一步增强气凝胶的机械强度。这使得气凝胶能够在80%的压缩应变下达到682 kPa的抗压强度。垂直取向结构的气凝胶被组装成一个自供电压力传感器，在机器学习辅助下实现了98.2%的信号识别率。这项研究不仅为推动可穿戴传感器的实际应用提供了理论基础，也为未来的传感器技术提出了创新的设计框架。
