The Innovation | 石墨烯纤维助力柔性智能传感

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柔性电子设备因其柔软可变形、可延展等特性，拥有广泛的应用前景。基于纤维的柔性智能器件在赋能、传导、感应等方面发挥着独特的优势。南京大学医学院附属鼓楼医院赵远锦团队利用微流控技术在原本不导电的纤维表面涂覆石墨烯涂层，赋予纤维导电、热响应等性质。该方法适应性广，灵活度高，能够为智能纤维材料的制备提供新的思路。本研究以Report形式在线发表于The Innovation期刊。

图1 图文摘要

微流控技术可以实现熟练而精准的流体操控，在制备新型材料方面应用广泛。在微米尺度上，流体表/界面的作用力对流体的行为起到了决定性的影响。利用互不相溶且流动速度不同的流体界面间存在的剪切力，大量形态各异的液滴甚至是纤维材料应运而生。此外，材料的亲疏水性也会影响流体行为甚至是纳米结构的组装。正是基于这样的特性，我们首次将微流控制备纤维技术与剪切力诱导组装技术相结合，利用不同亲疏水性液体界面以及提拉操作产生的剪切力，在微流控制备所得的水凝胶纤维表面连续包裹氧化石墨烯（GO）纳米片，从而获得具有核壳结构的石墨烯纤维材料。这种材料既继承了水凝胶纤维柔软的特性，又结合了石墨烯的良好热响应性和导电性，在温度和力学传感器件中具有重要的应用潜力（图2）。

图2 纤维制备流程及应用示意图：(A)微流控制备水凝胶纤维及浸涂过程。纤维通过固化，表面清洗，浸涂GO，壳层固化四个步骤制备获得；(B)基于纤维的柔性薄膜能够对温度具有良好的响应性；(C)基于纤维的薄膜对形变响应灵敏

利用微流控技术对流体的控制可以简单且方便地获得透明水凝胶纤维，将所得纤维导入到装有不互溶的GO水分散液和油的容器中。当纤维再次被提起时，分散在水溶液中的GO纳米片在水油界面处更倾向于贴附在水性凝胶纤维表面。由于提拉过程产生的剪切力，这种涂层具有薄且均匀的特点。通过再次固化，可将GO纳米片进一步包裹在纤维壳层中（图3）。这种制备手段非常灵活，能够在制备纤维和导电涂层的过程中，通过控制不同的条件得到不同形貌和性能的纤维材料，包括纤维的壳层厚度、壳层中的GO含量等，使得纤维具有不同的导电和热响应性质。

图3 纤维形貌表征：(A)水凝胶纤维明场显微镜图片；(B)表面涂覆GO的纤维；(C)将GO涂层固化后的核壳结构纤维；(D)GO涂层薄且均匀；(E)纤维截面电镜图；(F)纤维壳层中包裹着GO纳米片

将所得纤维包裹在硅胶薄膜中，即可构成柔性传感器件。将这种柔性传感贴片固定在手指关节处，手部的运动能够对纤维薄膜施加形变，这种形变能够直接导致内部纤维的拉伸，使纤维的电阻发生变化。因此，能够直接从器件的电阻变化中读出手部运动的信号。例如，当利用手势表达不同数字时，覆盖在不同指关节处的传感贴片电阻变化不同，我们便可以通过这些电阻变化综合解读出手势信息（图4）。

图4 基于纤维的传感器件可以识别不同的手势信息

总结和展望

智能纤维在柔性电子器件中具有广泛的应用价值。本工作基于微流控及剪切力组装技术，能够在纤维表面连续、可控包覆石墨烯涂层。这种具有核壳结构的纤维材料既继承了水凝胶纤维柔软的特性，又结合了石墨烯的良好热响应性和导电性。这种方法适用于不同的纤维基体材料和多种涂层材料，为纤维材料的大面积连续涂覆改性提供了创新方案，有望在智能纤维、柔性传感等领域发挥重要作用。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00005-4

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Report发表的“Shear-flow-induced graphene coating microfibers from microfluidic spinning” (投稿: 2021-09-03；接收: 2022-01-15；在线刊出: 2022-01-17)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100209

引用格式：Yu Y., Guo J., Zhang H., et al. (2021). Shear-flow-induced graphene coating microfibers from microfluidic spinning. The Innovation. 3(2),100209.

作者简介

赵远锦，教授，博导，研究方向包括仿生材料、微流控、器官芯片等。作为通讯作者在 Science Robotics, Science Advances, Nature Protocols, PNAS, Advanced Materials等国际知名期刊发表研究性论文 200 余篇，总引用量超过1.3万次，申请专利120余项。获得中国化学会青年化学家奖、中国化学会杰出青年科学家奖、英国皇家化学会成员（fellow）等。

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