摘要：随着软执行器在软机器人、人机交互界面和生物医学设备中的广泛应用，其响应可控性赋予了设备高度的灵活性与适应性。然而，设备集成度和运行频率的不断提高，不可避免地导致热量积累和电磁波辐射问题，这不仅影响设备的稳定性和使用寿命，还对人类健康构成潜在威胁。因此，开发兼具

随着软执行器在软机器人、人机交互界面和生物医学设备中的广泛应用，其响应可控性赋予了设备高度的灵活性与适应性。然而，设备集成度和运行频率的不断提高，不可避免地导致热量积累和电磁波辐射问题，这不仅影响设备的稳定性和使用寿命，还对人类健康构成潜在威胁。因此，开发兼具高导热性和优异电磁干扰屏蔽性能的软材料，已成为实现高性能软执行器的关键挑战。

近日，北京化工大学杨丹教授课题组成功制备出基于纤维素纳米纤维的复合材料，该材料通过静电自组装和热压工艺，实现了石墨烯纳米片在银纳米颗粒修饰的纤维素网络中的有序层状分布，形成了类似“含羞草”的结构。该复合材料表现出卓越的热导率（150.6 W/(m·K)）和电磁干扰屏蔽效率（75 dB），并具备出色的焦耳加热性能。通过将其与热响应型液晶弹性体结合，研究人员开发出可在3V低电压下实现82°弯曲的智能窗帘和抓取器。此外，该材料还可用作电极，构建摩擦纳米发电机，实现基于莫尔斯码的信息传输功能，为柔性电子设备提供了全新的解决方案。相关论文以“Plants-Inspired Cellulose Nanocomposites-Based Soft Intelligent Actuators with Exceptional Thermal Conductivity and Electromagnetic Interference Shielding”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Zhang Fengxia。

研究团队首先通过阳离子-π键作用将聚酰胺表氯醇修饰的石墨烯纳米片赋予正电荷，形成pGNPs，同时利用单宁酸和铁离子在纤维素纳米纤维表面原位沉积银纳米颗粒，制备出带负电的mCNFs。两者通过静电作用在真空过滤过程中自组装形成复合前体，再经热压处理形成致密互联的层状结构。图1展示了该复合材料的制备流程及其在人机交互中的多功能应用，包括热管理、焦耳加热、电磁屏蔽和抗菌性能。

图1. mCNFs-pGNPs复合材料的制备过程与功能示意图。 a) mCNFs-pGNPs复合材料的详细制备流程。 b) mCNFs-pGNPs复合材料在人机界面中的应用功能，包括热管理、焦耳加热、电磁干扰屏蔽和抗菌性能。

图2详细表征了pGNPs和mCNFs的物理化学特性。pGNPs在水中展现出优异的分散稳定性，XPS和FTIR分析证实了PAE成功修饰在石墨烯表面，TGA结果显示其接枝量约为38.26%。Zeta电位测试表明pGNPs带正电（+16.4 mV），而mCNFs仍带负电（-10.1 mV），为二者的静电自组装提供了基础。XRD和XPS进一步验证了银纳米颗粒的成功沉积。

图2. pGNPs与mCNFs的特征分析。 a) GNPs与pGNPs在水溶液中静置48小时后的分散状态照片。 b) PAE与GNPs之间相互作用的示意图。 c) GNPs与pGNPs的XPS光谱。 d) GNPs与pGNPs的FTIR光谱。 e) GNPs、pGNPs与PAE的TGA曲线。 f) GNPs、pGNPs、mCNFs与CNFs在水中的Zeta电位。 g) GNPs、CNFs@TA与mCNFs的XRD图谱。 h) mCNFs的XPS光谱。 i) CNFs、CNFs@TA、TA与mCNFs的TGA曲线。

图3揭示了复合材料中mCNFs与pGNPs之间的分子相互作用，包括静电作用和氢键。SEM图像显示，热压后材料内部形成有序层状结构，断裂面呈现出“含羞草”般的紧密排列。WAXS图谱进一步证实了石墨烯片的平面取向。随着pGNPs含量的增加，复合材料的拉伸强度提高至32.06 MPa，同时保持良好的柔韧性。此外，银纳米颗粒赋予材料优异的抗菌性能，对大肠杆菌的灭活率接近100%。

图3. mCNFs-pGNPs复合材料的微观结构与机械性能。 a) mCNFs与pGNPs之间分子相互作用的示意图。 b) mCNFs/pGNPs₃₅复合材料的SEM图像及C、O、Ag元素的EDS映射图。 c) i) mCNFs-pGNPs₈、ii) mCNFs-pGNPs₁₉、iii) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料断裂表面的SEM图像。 d) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的二维广角X射线散射图。 e) CNFs薄膜与不同pGNPs含量的mCNFs-pGNPs复合材料的应力-应变曲线。 f) CNFs与mCNFs-pGNPs₃₅复合材料对大肠杆菌的抗菌性能。

图4展示了复合材料的热性能。mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的面内热导率高达150.6 W/(m·K)，远超许多已报道的聚合物基热管理材料。其焦耳加热性能在3V电压下可达161.1°C，并在实际热管理测试中表现出最快的升温和降温速率，显示出卓越的散热能力。

图4. mCNFs-pGNPs复合材料的热性能。 a) 不同pGNPs含量下复合材料的导热系数。 b) mCNFs-pGNPs复合材料的热传递模型示意图。 c) 实验测得的导热系数与多种理论模型预测值的比较。 d) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料与多种已报道热管理材料导热系数的对比。 e) 焦耳加热测试的照片与示意图。 f) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料在不同电压下的温度曲线。 g) PI膜、CNFs薄膜与mCNFs-pGNPs₃₅复合材料在加热芯片启停过程中的温度变化。 h) 不同时间点对应的红外热成像图。

图5重点分析了材料的电磁屏蔽性能。mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的电导率达9.8×10³ S/m，在X波段（8.2–12.4 GHz）的屏蔽效能为75 dB，且随着厚度增加，屏蔽效果进一步增强。屏蔽机制以反射为主，吸收为辅，多层石墨烯结构通过多次反射和散射有效衰减电磁波。与多种现有材料相比，该复合材料在低填料含量下实现了更高的单位厚度屏蔽效能。

图5. mCNFs-pGNPs复合材料的电磁干扰屏蔽性能。 a) 不同pGNPs含量下复合材料的电导率。 b) 不同pGNPs含量复合材料在X波段的电磁干扰屏蔽效能。 c) 不同厚度下mCNFs-pGNPs₁₉复合材料的电磁干扰屏蔽效能。 d) 不同pGNPs含量复合材料的平均反射、吸收与总屏蔽效能。 e) 不同pGNPs含量复合材料的平均反射、吸收与透射系数。 f) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料与多种已报道屏蔽材料的单位厚度屏蔽效能对比。 g) mCNFs-pGNPs复合材料的电磁屏蔽机制示意图。 h) mCNFs-pGNPs₃₅复合材料对特斯拉线圈所产生电场的屏蔽效果示意图。 i) PI膜与mCNFs-pGNPs₃₅复合材料在特斯拉线圈测试中的屏蔽效果照片。

图6展示了复合材料在智能执行器中的应用。通过与液晶弹性体集成，研究人员构建了可在3V电压下驱动的智能窗帘和三指抓取器，实现了物体的抓取与释放，并可通过改变电压调节弯曲速度。

图6. mCNFs-pGNPs复合材料作为执行器的应用。 a) LCE与mCNFs-pGNPs₃₅复合材料集成构建的执行器结构。 b) LCE的制备过程示意图。 c) 基于mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的智能窗帘。 d) 基于mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的智能抓取器。

图7则展示了复合材料在传感器领域的潜力。作为单电极模式摩擦纳米发电机的电极，它能够通过人体接触产生电信号，实现基于莫尔斯码的信息传输，并在多次循环测试中保持稳定的输出性能，适用于可穿戴设备和运动监测。

图7. mCNFs-pGNPs复合材料作为传感器的应用。 a) 基于mCNFs-pGNPs₃₅复合材料的TENG传感器结构及其工作机制。 b) 通过该传感器以莫尔斯码发送“OPEN”、“CLOSE”、“GRASP”等指令。 c) 在2Hz频率下进行5000次接触-分离循环测试中的输出电压稳定性。

综上所述，该研究通过简单的静电自组装与热压工艺，成功开发出具有高导热、强电磁屏蔽、优异机械性能与抗菌功能的纤维素纳米复合材料。该材料不仅在软体机器人和智能执行器中展现出广泛应用前景，也为下一代可穿戴终端与人机交互系统提供了新的设计思路与技术支撑。

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来源：高分子科学前沿一点号1