聂双喜教授Nano Letters：利用细胞壁纳米工程构筑高性能纤维素摩擦电材料

  随着人工智能技术、材料科学、生物工程、电子学和数据分析技术的加快速度进行发展，人们对人体监测的关注度慢慢的升高，这推动了可穿戴设备的发展。目前，可穿戴设备已不断应用于多种领域。然而，实现可穿戴设备的多功能性和小型化仍然是一个重大挑战。理想的可穿戴设备在提供多种功能与设备小型化和轻便之间取得微妙的平衡，从而最大限度地提高用户舒适度和可穿戴性。幸运的是，摩擦电传感器的开发为解决小型化、轻便和能源需求难题提供了一个有前景的解决方案。

  近日王双飞院士团队聂双喜教授课题组通过细胞壁纳米工程制备了一种轻质且高强度的纤维素摩擦电材料。该策略通过对细胞壁结构进行设计，使其具有在不同尺度下相互连接的多级孔隙和良好的结构稳定性。同时，碳纳米管（CNTs）在孔内负载，形成连续的导电通路。基于纤维素摩擦电材料的传感器在0-2.25 kPa范围内表现出33.61 kPa-1的优异灵敏度，在材料暴露于200℃的高温环境后仍保持高传感性能，并对人体运动状态提供准确的反馈。这项成果以“Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering”为题发表在国际学术期刊《Nano Letters》上。

  本文在研究中通过选择性水解去除竹子细胞壁的半纤维素、木质素和抽提物，从而有效软化刚性的原始纤维并产生新的孔隙结构。导电溶液渗透到细胞壁、管腔表面和内部孔隙，能够在多孔微通道中形成互连的电子传输网络。在木质素被部分去除后，线性排列的纤维素链和木质素分子链之间的结合作用减弱，纳米级或亚纳米级尺寸的纤维素纳米纤维之间形成了新的孔隙。在此过程中，竹子的微观结构和层次排列能够获得很好的保留，基于此所制备的纤维素摩擦电材料展现出良好的结构稳定性和热稳定性。

  由于纤维素摩擦电材料具备多孔特性、优异的传感性能和耐热性，基于此制备的传感器在经过200℃高温处理后，仍然拥有非常良好的传感性能。将其固定在不同的身体部位当施加不同的压力时，传感器能准确地采集信号变化，表现出优异的响应能力。同时传感器能识别因弯曲身体别的部位（例如膝盖和手腕）而引起的信号变化，能轻松实现实时人体监测。

  本文通过细胞壁纳米工程制备了一种轻质且高强度的多孔纤维素摩擦电材料，并基于此材料开发了一种用于人体运动监测的自供电传感器，并展现出了33.61 kPa-1的灵敏度和36 ms响应时间，传感器在经历200℃的高温环境后仍展现出良好的传感性能，并允许精确的实时运动跟踪。该研究为多孔纤维素摩擦电材料的设计提供了新的思路，并有望促进可穿戴电子设备在极端环境下的应用。

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