Nano Letters：利用细胞壁纳米工程构筑高性能纤维素摩擦电材料

【研究背景】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快速发展，人们对人体监测重视程度不断提升，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。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。
【研究内容】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，能够有效软化刚性的原始纤维并产生新的孔隙结构，并保持其宏观结构。导电溶液渗透到细胞壁、管腔表面和内部孔隙，在多孔微通道中形成互连的电子传输网络。在此过程中，竹子的微观结构和层次排列可以得到很好的保留。在外界不同压力的作用下，材料孔隙通道发生不同程度的形变，碳纳米管之间形成更多的导电通路，从而材料电导率发生相应变化，为自供电传感提供基础。

为了在细胞壁中产生更多孔隙结构，同时保持其宏观结构完整性，通过自上而下的方法选择性地去除木质素和半纤维素。在酸性介质中，过氧化物键（COO-OH）可以裂解产生水合氢离子（H ₃O ⁺），攻击木质素的富电子位置（烯烃侧链和苯环），导致木质素解聚。木质素主要积聚在细胞角和中间层，其去除显着增加了孔隙率并降低了纤维素支架的密度（0.34 g·cm ^-3）。碳纳米管溶液作为导电材料负载在纤维素支架上，并相互连接形成3D堆叠结构。

由于纤维素摩擦电材料具有多孔特性、良好的结构稳定性和输出性能，可制备为可穿戴自供电传感器，将其固定在不同的身体部位，以实现实时人体监测。当施加不同的压力时，传感器可以准确地采集信号变化，表现出优异的响应能力。同时传感器可以识别因弯曲身体其他部位（例如膝盖和手腕）而引起的信号变化。此外，传感器在经历200℃的高温环境后仍展现出良好的传感性能，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。

Xiuzhen Li, Jinlong Wang, Yanhua Liu, Tong Zhao, Bin Luo, Tao Liu, Song Zhang, Mingchao Chi, Chenchen Cai, Zhiting Wei, Puyang Zhang, Shuangfei Wang, and Shuangxi Nie*, Lightweight and Strong Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Cell Wall Nanoengineering, Nano Lett. 2024. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00458

2024-03-06