摘要：近年来，受生物体内跨膜纳米孔道选择性传输离子的启发，人工纳米多孔膜在传感、离子分离和渗透能转换等领域展现出广阔前景。然而，传统的二维纳米流体膜存在机械性能差、稳定性不足、难以大规模制备等问题。纤维材料因其柔性和可扩展性成为理想替代品，但纳米级通道导致的高内阻限

近年来，受生物体内跨膜纳米孔道选择性传输离子的启发，人工纳米多孔膜在传感、离子分离和渗透能转换等领域展现出广阔前景。然而，传统的二维纳米流体膜存在机械性能差、稳定性不足、难以大规模制备等问题。纤维材料因其柔性和可扩展性成为理想替代品，但纳米级通道导致的高内阻限制了其能量输出和传感灵敏度。气凝胶纤维虽具有高孔隙率，但在水性环境中的结构稳定性仍是巨大挑战。

近日，武汉纺织大学王金凤教授、张守伟博士团队成功利用废弃芳纶织物制备出具有三维纳米多孔结构的芳纶纳米纤维气凝胶纤维，实现了高效渗透能转换与自供能触觉传感。该气凝胶纤维在500倍氯化钠浓度梯度下内阻仅为约10 kΩ，最大输出功率密度达17.6 W/m²，并具备25毫秒的快速响应时间和0.2 mN的超低检测限，展现出在实时运动监测中的巨大潜力。相关论文以“Waste Fabric-Derived Aerogel Fiber for Self-Powered Tactile Sensing with High Sensitivity”为题，发表在

研究团队通过湿法纺丝和冷冻干燥技术，将废弃芳纶织物转化为均匀、具有纳米多孔结构的气凝胶纤维。图1展示了仿生自供能力传感器的设计灵感：模仿人体皮肤中机械感受器通过离子电流传递触觉信号的机制。制备过程中，芳纶纳米纤维在凝固浴中重新形成氢键，构建出稳定的三维网络结构。最终封装在聚二甲基硅氧烷中的气凝胶纤维在受力时可选择性驱动阳离子迁移，产生可测电流信号。

图1. a) 人体皮肤触觉感知示意图。 b) ANFs气凝胶纤维制备流程示意图。 c) 基于单根ANFs气凝胶纤维的仿生触觉传感器。

图2揭示了气凝胶纤维的微观结构与物理化学特性。扫描电镜图像显示纤维具有明显的皮层和内部纳米多孔结构，孔径分布随拉伸比调整而优化。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱证实纤维表面成功引入羧基，赋予其负电性，有利于阳离子选择性传输。X射线衍射显示纤维结晶度降低，但通过拉伸处理仍能保持良好的力学性能，拉伸强度随直径减小而提升，且具备优异的柔韧性，打结和扭曲后仍保持结构完整。

图2. a) ANFs气凝胶纤维表面SEM图像。插图为放大图像。 b,c) ANFs气凝胶纤维横截面SEM图像。 d) BET法测定的ANF气凝胶纤维孔径分布。 e) 原始芳纶纤维与ANFs气凝胶纤维的FTIR光谱。 f) ANF气凝胶纤维的高分辨率XPS C1s谱。 g) 原始芳纶纤维与ANFs气凝胶纤维的XRD图谱。 h) 不同直径ANFs气凝胶纤维的应力-应变曲线。 i) ANFs气凝胶纤维的打结与扭转展示其柔韧性。

图3进一步研究了气凝胶纤维中的离子传输机制。电流-电压曲线表明纤维结构均匀，离子电导受表面电荷调控。在低盐浓度下，双电层重叠促使K⁺优先通过带负电的纳米通道。数值模拟结果直观展示了通道内K⁺富集和Cl⁻耗散的现象，验证了表面电荷主导的离子选择性传输机制。在不同浓度梯度下，开路电压和短路电流随梯度增大而上升，显示出良好的渗透能发电潜力。

图3. a) 离子传输测量实验装置示意图。 b) 不同直径ANFs气凝胶纤维在0.1 M KCl中的I-V曲线。 c) 140 μm气凝胶纤维在不同KCl浓度下的I-V曲线。 d) ANFs气凝胶纤维离子电导随KCl浓度变化。 e) ANFs气凝胶纤维在KCl溶液中浸泡后K⁺和Cl⁻浓度分布。 f) ANFs气凝胶纤维纳米通道内K⁺和Cl⁻浓度分布的模拟结果（0.001 M KCl）。 g) 在+1 V/−1 V交替电压下的电流输出。 h) 140 μm气凝胶纤维在不同KCl浓度梯度下的I-V曲线。 i) 不同KCl浓度梯度下测得的开路电压和短路电流。

图4展示了气凝胶纤维在渗透能发电方面的优异性能。在模拟海水/河水（50倍NaCl梯度）条件下，最大功率密度达2.0 W/m²，且在3600秒内保持稳定。不同电解质测试表明，离子扩散系数和电荷数共同影响输出功率。在500倍NaCl梯度下，功率密度进一步提升至17.6 W/m²，优于多数已报道的纳米流体发电机。施加外力还可通过增强离子流速进一步提升电流和功率输出。

图4. a) 使用电阻负载进行渗透能发电的示意图。 b) 不同KCl浓度梯度下，ANFs气凝胶纤维在不同负载电阻下的电流密度和功率密度。 c) 不同浓度梯度下的最大输出功率密度。 d) 在1000倍KCl梯度下发电的长期稳定性。 e) 不同直径ANFs气凝胶纤维在1000倍KCl梯度下的最大功率密度。

图5展示了基于该纤维的自供能力传感器在触觉感知方面的应用。传感器在对称盐溶液中初始电流为零，外力作用下产生阳离子净流量，生成电流信号。传感器响应时间仅为25毫秒，可检测低至0.2 mN的微小力。模拟结果显示，即使20 Pa的微小压力也能显著增强离子流速。传感器在重复按压和人体关节运动监测中表现出良好稳定性和可区分性，甚至可通过莫尔斯电码传递“SOS”、“HELP”等信息，展现出多功能集成潜力。

图5. a) 基于气凝胶纤维的自供能传感器结构示意图。 b) 气凝胶纤维传感器对力的时间响应。 c) 气凝胶纤维传感器的灵敏度测试。 d) 模拟显示无压力及不同压力下纳米通道内离子速度的变化。 e) 节律性敲击下的重现性测试。 f) 手指弯曲时传感器产生的电流脉冲。 g,h) 基于ANFs气凝胶纤维自供能传感器输出的“SOS”和“HELP”莫尔斯电码电流信号模式。

综上所述，本研究通过废织物回收制备出结构稳定、性能优异的气凝胶纤维，成功实现了低内阻、高功率输出的渗透能收集和高灵敏度自供能触觉传感。该纤维具备柔性和可扩展性，易于集成到可穿戴设备中，为下一代柔性传感器的发展提供了新思路。

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来源：小王的科学讲堂