南洋理工魏磊教授、中科大程群峰教授合作《自然·通訊》：超強MXene復合纖維！

隨著可穿戴電子設備的快速發展，基于纖維的智能電子紡織品在健康監測、智能顯示和人機交互等領域展現出巨大應用前景。然而，如何將高性能納米材料的本征特性有效保留并傳遞到宏觀纖維結構中，一直是一個關鍵挑戰。特別是對于像MXene（Ti?C?T?）這類具有優異力學強度和導電性的二維材料，其納米片在組裝成宏觀纖維時，由于橫向褶皺和片層間界面作用弱，會產生大量空隙，嚴重損害了最終纖維的機械與電學性能，限制了其在耐用、高性能智能紡織品中的應用。

近日，新加坡南洋理工大學魏磊教授、中國科學技術大學程群峰教授合作提出了一種可控的靜態-動態致密化策略，成功實現了公里級超強MXene復合纖維的連續制備。該方法利用短碳納米管（CNTs）進行靜態填充，并結合聚乳酸（PLA）動態熱拉伸，通過氫鍵橋接MXene納米片，顯著減少了纖維內部的空隙。所得復合纖維實現了高達941.5 MPa的拉伸強度、3899.0 S cm?1的電導率（內部MXene纖維電導率更高達12,836.4 S cm?1），孔隙率低至4.2%，納米片取向因子高達0.945。基于此纖維繡制的智能紡織品實現了長距離、無電池的無線健康監測、體感遠程無人機操控及輔助通信，并展現出優異的機械耐久性。該策略為基于各類納米功能材料制備高性能纖維提供了一條通用路徑。相關論文以“Ultrastrong MXene composite fibers through static-dynamic densification for wireless electronic textiles”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先通過原子力顯微鏡和有限元分析揭示了MXene納米片在濕法紡絲過程中因剪切力不足而產生橫向褶皺并形成空隙的根本原因（圖1）。針對此問題，他們創新性地引入了短羧基化碳納米管作為“填充劑”。這些一維的CNTs能夠通過氫鍵有效橋接MXene納米片，在紡絲過程中靜態填充因褶皺產生的空隙，初步提升了MXene-CNTs（MC）復合纖維的致密性和取向度（圖1a, 2a-d）。隨后，他們采用動態熱拉伸工藝，將MC纖維喂入PLA預制品中進行拉伸。熱拉伸產生的動態應力進一步壓縮了殘留空隙，同時在纖維外部原位形成了PLA封裝層，該層同樣通過氫鍵與內部MXene納米片結合，最終得到了結構高度致密、取向排列極佳的MCP復合纖維（圖1d, 2c, f）。纖維長度可達千米級，并能承受1.5公斤的重物（圖1d）。

圖1 | 制備超強MXene復合纖維的流程示意圖。 a. 通過靜態填充法與動態熱拉伸相結合制備MXene-碳納米管-聚乳酸（MCP）纖維的示意圖，其中碳納米管與MXene納米片、PLA與MXene納米片之間通過氫鍵形成原位封裝層；同時展示了濕法紡絲中因橫向褶皺產生大量空隙的純MXene纖維。 b. 根據有限元分析模擬，紡絲管軸心沿Y軸的剪切應力分布。 c. 通過動態有限元模擬獲得的、為充分壓實橫向褶皺納米片以減少空隙所需的應力。 d. 長度達千米級的MCP纖維照片。 e. MXene復合纖維（包括MX、MC、MCP和MCP-V）的拉伸強度、韌性、比強度、楊氏模量和電導率的星形圖。 f. 基于MCP纖維的智能無線紡織品示意圖，包含基于MCP纖維的各種螺旋電感織物（具備傳感和存儲單元），以及用于遠程控制無人機和輔助通信的MCP-乙烯基硅樹脂-醋酸酯硅樹脂-ZnS-Cu2?紡織品。

通過傅里葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜分析，研究人員證實了CNTs-MXene以及PLA-MXene之間氫鍵的成功構建（圖2相關分析）。納米計算機斷層掃描的三維重構圖像清晰顯示，純MXene纖維內部存在大量空隙（紅色部分），而MCP纖維中空隙顯著減少，結構更為密實（圖2e, f）。此外，軸向截面的高分辨透射電鏡圖像表明，經過靜態填充和動態拉伸后，纖維內MXene納米片的排列高度有序，褶皺基本消除（圖2g-i）。研究還系統優化了CNTs的長度和添加比例，發現長度為~0.46 μm、添加量為3 wt%時，填充效果和性能提升最為顯著（圖2j-l）。

圖2 | MXene復合纖維的形貌表征。 a-b. MX纖維的截面掃描電鏡圖像和截面高分辨透射電鏡圖像。 c-d. MCP纖維的截面掃描電鏡圖像和高分辨透射電鏡圖像。 e-f. 通過納米計算機斷層掃描對MX和MCP纖維沿軸向進行的整體三維重構，顯示了空隙分布（藍色透明部分為MX纖維中的MXene納米片；MCP纖維中藍色透明部分為MXene納米片和CNTs；紅色部分為空隙；黃色透明部分為PLA）。 g-h. MX和MCP纖維軸向截面的高分辨透射電鏡圖像。 i. 通過納米CT對MX和MCP纖維軸向截面進行的二維重構，顯示空隙（藍色為MX纖維中的MXene納米片；MCP纖維中藍色為MXene納米片和CNTs；紅色為空隙；黃色為PLA）。 j. MXene復合纖維的孔隙率和密度柱狀圖。 k. MXene復合纖維的方位角圖。 l. MXene復合纖維的取向因子。

得益于致密的結構和強大的界面氫鍵作用，MCP纖維獲得了突破性的力學與電學性能（圖3a）。其拉伸強度和韌性分別達到純MXene纖維的9倍和411倍。與已報道的各類MXene基纖維相比，該纖維在強度和電導率方面均處于領先地位（圖3b）。實時電阻-應變測試表明，MCP纖維在斷裂前電阻變化極小（~2%），說明其內部結構在變形過程中保持完整（圖3c）。循環加載測試也證明，MCP纖維在4000次循環后仍能保持85.6%的電導率，耐久性遠優于對比樣品。密度泛函理論計算和有限元模擬揭示了其斷裂機制：在拉伸過程中，結合力較弱的MXene-MXene界面首先發生滑移，隨后結合力更強的CNTs-MXene和PLA-MXene氫鍵依次斷裂并耗散能量，CNTs的拔出和PLA封裝層的開裂進一步貢獻了高韌性和高強度（圖3d-g）。

圖3 | MXene復合纖維的力學性能及斷裂機理。 a. 所得MXene復合纖維的應力-應變曲線。 b. MCP纖維與先前報道的MXene基纖維的拉伸強度和電導率對比。 c. MXene復合纖維的實時電阻-應變曲線。 d. 對四種不同界面（MXene-MXene、CNTs-CNTs、CNTs-MXene、PLA-MXene）的吸附能和電子轉移數的密度泛函理論計算。 e. MCP纖維的斷裂示意圖，以及MXene納米片之間的滑移、CNTs-MXene和PLA-MXene界面強氫鍵的失效過程。 f. MCP纖維局部斷裂過程的有限元分析。 g. 顯示短CNTs拔出和PLA封裝層開裂的MCP纖維斷口形貌。

將這種超強、高導的MCP纖維通過數字化刺繡技術集成到織物中，可制成高性能的無線智能紡織品（圖4a）。以花朵形螺旋電感圖案為例，MCP紡織品的電磁性能（S??參數）與商用銅線紡織品相當，但在機械耐久性上展現出了壓倒性優勢（圖4b）。它在經歷9萬次180度彎曲、3萬次360度扭轉、5萬次20%應變拉伸及90次標準水洗后，電導率保持率仍超過99%，而對比的銅線紡織品早已斷裂（圖4c, d）。這主要歸功于MCP纖維自身的高強度、高韌性及致密結構。

基于此，研究團隊開發了一套長距離、無電池的無線健康監測系統（圖4e-i）。該系統由繡在連帽衫上的螺旋電感（作為無線供電和通信天線）、集成了溫度、脈搏和紫外線強度傳感器的傳感單元，以及位于手腕的數據存儲單元組成。用戶只需用智能手機靠近衣物，即可啟動系統，在超過50厘米的距離上實現生理數據的無線采集、傳輸與存儲，并能對長達12小時的不同日常活動進行穩定監測（圖4i）。

圖4 | 基于MCP纖維的智能紡織品的電磁性能與機械耐久性。 a. 通過刺繡機方法使用MCP纖維繡制的花朵螺旋電感圖案智能紡織品，間隙為1毫米，8匝。 b. 使用不同纖維（銅線、聚酰亞胺封裝銅線、MCP纖維）繡制花朵圖案的智能紡織品的S參數。 c. 花朵圖案智能紡織品在彎曲角度從0°到150°時的S參數和電導率。 d. 智能紡織品中MCP纖維在90次洗滌循環中的電導率保持率。 e. 無線傳感單元背面照片及其框圖。 f. 傳感單元在30秒內監測人體溫度、脈搏壓力和相對紫外線強度的穩定性。 g. 使用傳感單元與商用設備測量的脈搏壓力對比。 h. 嵌入連帽衫中的長距離無電池無線健康監測系統，由無線供電單元、無線傳感單元和存儲單元組成。 i. 健康監測系統在上午8點至晚上8點12小時內監測溫度、脈搏壓力和相對紫外線強度的實際測量數據（包含不同活動）。

更進一步，研究團隊通過在MCP纖維外層涂覆乙烯基硅樹脂/醋酸酯硅樹脂與ZnS:Cu2?熒光粉，制備了具有三層結構的MCP-V纖維（圖5a）。該纖維在保持高力學性能的同時，還具備了在體耦合電磁場下發光和產生無線電信的能力，無需電池即可工作。將其繡制成圖案或文字，可實現用于輔助通信的發光 textiles（圖5b, c），并且在彎曲、拉伸等變形下發光穩定（圖5d）。更重要的是，利用這種纖維織物，可以實現對人體觸摸感應的無線信號傳輸，從而遙控無人機完成起飛、降落、前進、負重等一系列復雜操作，控制距離可達約5公里（圖5e-h）。

圖5 | MCP-V紡織品的應用。 a. 示意圖說明在體耦合電磁場下，使用單根多色MCP-V纖維實現無線光學和電信號生成與傳輸的機制。 b. 染色的MCP-V纖維在體耦合電磁場下發出紅光，用于輔助通信。 c. 使用MCP-V纖維在紡織品上刺繡圖案。 d. 集成MCP-V纖維的紡織品在彎曲、拉伸和戳刺條件下的耐久性。 e. 概念圖展示如何使用MCP-V紡織品遠程控制無人機。 f. 展示使用MCP-V紡織品遠程控制無人機的照片。 g. 框圖說明MCP-V紡織品與無人機之間的交互，描述了從紡織界面輸入信號、處理指令、無線傳輸到無人機以及無人機執行動作的過程。 h. 由MCP-V紡織品控制的無人機飛行路徑，附有實景圖像。

這項工作展示的靜態填充與動態熱拉伸相結合的致密化策略，成功解決了MXene納米片組裝中的褶皺與空隙難題，制造出了兼具超強力學性能、高導電性和出色耐久性的復合纖維。由此開發的智能紡織品在無線健康監測和遠程體感交互等方面表現出巨大應用潛力。該策略具有通用性，為利用各種納米結構功能材料制備高性能纖維、并推動下一代可穿戴電子設備的發展開辟了新的道路。