纳米流体纤维因其优异选择性离子传输性能，可实现渗透发电和自供电传感。纳米通道表面电荷形成双电层（EDL），当通道的尺寸与EDL的厚度相当时，EDL在通道内会发生重叠，促进带相反电荷的离子的输运，排斥带相同电荷的离子。离子选择性输运不仅影响通道内的离子浓度分布，还能通过电荷分离实现能量转换。这种独特的特性赋予了纳米流体膜对压力和温度等外界刺激引起的离子浓度变化的优异灵敏度和响应性。然而，这些纤维中严重受限的通道导致较高内阻，限制了能量收集和纤维传感器的检测灵敏度。
近日，武汉纺织大学王金凤、张守伟团队在Advanced Functional Materials上，发表最新研究成果“以废旧织物为原料制备气凝胶纤维实现高灵敏度自供能触觉传感”（Waste Fabric-Derived Aerogel Fiber for Self-Powered Tactile Sensing with High Sensitivity），论文的第一作者为武汉纺织大学硕士研究生彭梦园，通讯作者为武汉纺织大学张守伟博士和王金凤教授。该工作通过湿法纺丝与冷冻干燥技术，以废旧芳纶织物为原料成功研发出具有3D多孔网络结构芳纶纳米纤维（ANFs）气凝胶纤维，该材料在保持结构稳定性的同时，显著降低了离子传输阻力。测试表明，该材料在500倍氯化钠浓度梯度下内阻仅为约10千欧，输出功率密度提升至17.6瓦/平方米，较传统致密纤维实现数量级突破。
值得关注的是，新型气凝胶纤维展现出卓越的环境稳定性与耐久性。在30天的溶液浸泡实验中，其结构完整性与发电能力均未发生衰减。材料具备25毫秒的快响应速度与0.20毫牛的低检测限，可实时精准捕捉细微力学变化，此外，制备的气凝胶纤维具有柔性和可扩展性，易于集成到可穿戴设备中。该气凝胶纤维作为离子传输材料，可用于发电和自供电传感，为柔性传感器的发展提供了新途径。
图1. (a) 人体皮肤触觉感知示意图，该图通过通用绘图平台（GDP）绘制；(b) ANFs气凝胶纤维制备示意图；(c) 基于ANFs气凝胶纤维的仿生触觉传感器。
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。
SEM图像显示ANFs气凝胶纤维的3D纳米多孔网络结构，与BET结果一致，气凝胶纤维的孔径为纳米级，牵伸处理后的孔径主要分布在3.4至9.3nm之间。这些纳米级3D网络对于渗透发电和传感等应用中的离子传输至关重要。拉伸测试表明，随着纤维直径从500 μm减小到110 μm，拉伸强度从2.67 MPa逐渐增加到4.82 MPa，在牵伸比为1.6和2.0时，牵伸处理进一步提高了拉伸强度分别为19.6%和41.3%。此外，所得纤维也表现出优异的柔韧性。即使在打结和扭曲的情况下，它们也能保持完整的结构。
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. (a) 渗透能发电示意图。(b-c) 不同KCl浓度梯度下，ANFs气凝胶纤维在不同电阻负载时的电流密度和功率密度。(d) 不同浓度梯度下的最大输出功率密度。(e) 发电性能的长期稳定性。(f) 1000倍KCl浓度梯度下，不同直径ANFs气凝胶纤维的最大功率密度。(g) 50倍NaCl浓度梯度下ANFs气凝胶纤维的电流密度和功率密度。(h) 50倍浓度梯度下，不同电解液中的最大功率密度。(i) 500倍NaCl浓度梯度下ANFs气凝胶纤维的电流密度和功率密度。
实验表明，得益于3D纳米多孔结构，气凝胶纤维在500倍NaCl下表现出约10 kΩ的内阻，远低于传统能量发生器（例如数万欧姆），实现17.6 W m-2的输出功率密度。此外，ANF气凝胶纤维在结构完整性和发电能力方面在溶液中保持稳定超过30天。
图5. (a) 基于气凝胶纤维的自供能传感器示意图。(b) 气凝胶纤维受外力作用的时间响应特性。(c) 气凝胶纤维传感器的灵敏度。(d) 1Hz节律性力作用下获得的电流信号。(e) 手指弯曲触发的电流脉冲响应。(f-g) 通过ANFs气凝胶纤维自供能传感器输出的"SOS"与"HELP"摩尔斯电码电流信号模式。
ANFs气凝胶纤维表现出超快的响应，响应时间为 25 ms，检测限为 0.20 mN，在实时监测人体运动方面显示出巨大的潜力。此外，气凝胶纤维具有柔性和可扩展性，易于集成到可穿戴设备中。本研究利用纳米多孔气凝胶纤维作为离子传输材料，用于发电和自供电传感，为柔性传感器的发展提供了另一种途径。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202520263
